Penghilangan Gas Vakum dalam Pembuatan Baja: Meningkatkan Kemurnian & Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Pemurnian vakum adalah proses metalurgi yang digunakan dalam pembuatan baja untuk menghilangkan gas terlarut, kotoran, dan elemen volatil dari baja cair dengan mengeksposnya ke lingkungan vakum tinggi. Proses ini meningkatkan kualitas baja dengan mengurangi hidrogen, nitrogen, oksigen, dan kontaminan gas lainnya yang dapat menyebabkan cacat seperti porositas, lubang tiup, atau kerapuhan.

Pada dasarnya, pemurnian vakum berfungsi sebagai langkah pemurnian yang meningkatkan kebersihan, homogenitas, dan sifat mekanik baja. Proses ini biasanya dilakukan setelah tahap peleburan primer dan pemurnian sekunder, sering kali setelah perlakuan ladle, untuk menghasilkan baja berkualitas tinggi untuk aplikasi kritis seperti dirgantara, otomotif, dan bejana tekan.

Dalam rantai produksi baja secara keseluruhan, pemurnian vakum ditempatkan di hilir dari peleburan tungku oksigen dasar (BOF) atau tungku busur listrik (EAF), dan sebelum pengecoran atau pengecoran kontinu. Ini bertindak sebagai langkah pemurnian akhir, memastikan kandungan gas dan kotoran baja memenuhi spesifikasi ketat sebelum pembekuan.

Desain Teknis dan Operasi

Teknologi Inti

Prinsip inti dari pemurnian vakum bergantung pada fenomena termodinamika dan kinetika yang mengatur kelarutan gas dan difusi. Ketika baja cair terpapar vakum, tekanan parsial gas yang terlarut dalam logam menurun, mendorong eksolusi dan pelarian mereka dari lelehan.

Komponen teknologi kunci termasuk ruang vakum atau wadah—sering disebut stasiun pemurnian—dilengkapi dengan sistem vakum, perangkat pengaduk, dan sistem kontrol suhu. Wadah dirancang untuk menahan suhu tinggi dan mempertahankan lingkungan yang terkontrol.

Mekanisme operasi utama melibatkan penciptaan lingkungan vakum tinggi di dalam wadah, sering kali mencapai tekanan di bawah 1 mbar. Baja cair diaduk secara mekanis atau melalui gelembung gas inert untuk mendorong penghilangan gas yang merata. Alur proses melibatkan pemanasan, penerapan vakum, agitasi, dan evakuasi gas, yang berpuncak pada lelehan baja yang telah dimurnikan siap untuk pengecoran.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk tingkat vakum, suhu, intensitas pengadukan, dan durasi. Tingkat vakum yang khas berkisar antara 10 hingga 100 mbar, dengan beberapa sistem canggih mencapai di bawah 1 mbar untuk efisiensi pemurnian yang lebih baik.

Kontrol suhu sangat penting, umumnya dipertahankan dalam rentang 1600°C hingga 1650°C, untuk memastikan kelancaran dan eksolusi gas yang optimal. Intensitas pengadukan mempengaruhi laju penghilangan gas; agitasi yang berlebihan dapat menyebabkan reoksidasi atau kontaminasi, sementara pengadukan yang tidak memadai memperpanjang waktu pemurnian.

Durasi proses bervariasi dari 10 hingga 30 menit tergantung pada komposisi baja, volume lelehan, dan tingkat kotoran yang diinginkan. Pemantauan melibatkan sensor tekanan waktu nyata, probe suhu, dan analisis gas untuk mengoptimalkan kondisi dan mencegah kontaminasi ulang.

Sistem kontrol mengintegrasikan pengontrol logika terprogram (PLC) dan sensor canggih untuk mengotomatiskan regulasi vakum, pengadukan, dan penyesuaian suhu, memastikan stabilitas dan pengulangan proses.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi pemurnian vakum yang khas terdiri dari wadah besar yang dilapisi refraktori dengan penutup yang tersegel terhubung ke sistem pompa vakum berkapasitas tinggi. Dimensi wadah tergantung pada volume lelehan, biasanya berkisar dari beberapa ton hingga lebih dari 100 ton kapasitas.

Variasi desain termasuk pemurni rotari, ladle vakum, dan sistem vakum kontinu yang terintegrasi dengan jalur pengecoran. Seiring waktu, peralatan telah berkembang dari wadah batch sederhana menjadi sistem otomatis yang canggih dengan penyegelan, mekanisme pengadukan, dan analisis gas yang terintegrasi yang lebih baik.

Sistem tambahan termasuk pembersihan gas inert (misalnya, argon), unit kontrol suhu, dan sistem pembersihan gas untuk menangani gas buangan dengan aman. Pelapisan refraktori dibangun dari bahan tahan suhu tinggi seperti alumina atau zirkonia untuk menahan stres korosif dan termal.

Kimia Proses dan Metalurgi

Reaksi Kimia

Selama pemurnian vakum, reaksi kimia utama melibatkan eksolusi gas terlarut seperti hidrogen, nitrogen, dan oksigen dari baja cair. Gas-gas ini mengikuti hukum Henry, di mana kelarutannya menurun dengan berkurangnya tekanan parsial.

Misalnya, penghilangan hidrogen dapat direpresentasikan sebagai:
$$\text{H}_2 \text{(terlarut)} \rightarrow \text{H}_2 \text{(gas)} \uparrow $$
Demikian pula, nitrogen dan oksigen juga terpisah dan melarikan diri sebagai gas.

Secara termodinamis, proses ini diatur oleh pengurangan tekanan parsial gas, yang mendukung desorpsi. Kinetika tergantung pada suhu, agitasi, dan luas permukaan lelehan yang terpapar vakum.

Produk sampingan reaksi sebagian besar bersifat gas, yang dievakuasi melalui sistem gas buangan. Penghilangan kotoran seperti sulfur atau fosfor umumnya tidak dicapai secara langsung melalui vakum tetapi melalui langkah pemurnian berikutnya.

Transformasi Metalurgi

Pemurnian vakum menyebabkan perubahan mikrostruktur dengan mengurangi porositas gas dan meningkatkan kebersihan baja. Proses ini mendorong pembentukan inklusi halus yang terdistribusi merata dan mengurangi ukuran serta jumlah mikrovoid.

Transformasi fase minimal terjadi selama pemurnian itu sendiri tetapi sangat penting selama pendinginan dan pembekuan berikutnya. Pengurangan gas terlarut mencegah pembentukan lubang tiup dan porositas, yang secara signifikan meningkatkan sifat mekanik seperti ketangguhan dan kelenturan.

Proses ini juga mempengaruhi mikrostruktur baja dengan menghilangkan kotoran volatil yang dapat mendorong fase yang tidak diinginkan atau kerapuhan, menghasilkan mikrostruktur yang lebih homogen dan halus.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer dikelola dengan hati-hati selama pemurnian vakum. Baja dapat bereaksi dengan oksigen atau nitrogen residu, membentuk oksida atau nitride yang dapat merugikan jika tidak dikendalikan.

Bahan refraktori harus tahan terhadap korosi dan kejutan termal, mencegah kontaminasi lelehan. Gas buangan mungkin mengandung partikel terjebak atau kotoran volatil, memerlukan sistem penyaringan dan pembersihan untuk mencegah pelepasan ke lingkungan.

Mekanisme kontaminasi termasuk reoksidasi dari oksigen residu atau masuknya nitrogen, yang dapat diminimalkan melalui penutupan gas inert dan desain wadah yang tersegel. Pengendalian atmosfer dan parameter proses yang tepat meminimalkan interaksi yang tidak diinginkan dan menjaga kemurnian baja.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan utama adalah baja cair, biasanya dimurnikan hingga komposisi tertentu, dengan suhu dan tingkat kotoran yang terkontrol. Baja harus memenuhi spesifikasi kimia dan fisik tertentu, termasuk kandungan hidrogen dan nitrogen yang rendah.

Persiapan melibatkan memastikan homogenitas dan keseragaman suhu sebelum perlakuan vakum. Penanganan mencakup transfer ladle, pengukuran suhu, dan penyesuaian paduan awal jika diperlukan.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi efisiensi pemurnian; tingkat kotoran awal yang lebih tinggi memerlukan waktu perlakuan yang lebih lama atau kondisi vakum yang lebih agresif.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan mentransfer baja cair ke dalam wadah vakum, diikuti dengan pemanasan hingga suhu target. Setelah stabil, pompa vakum diaktifkan untuk mengurangi tekanan.

Secara bersamaan, perangkat pengaduk diaktifkan untuk mendorong eksolusi gas yang merata. Proses berlanjut selama durasi yang telah ditentukan, dipantau melalui sensor, hingga tingkat kotoran yang diinginkan tercapai.

Setelah pemurnian, vakum secara bertahap dilepaskan, dan baja dipindahkan