Peleburan Vakum: Proses Kunci untuk Produksi Baja Berkualitas Tinggi

Definisi dan Konsep Dasar

Peleburan vakum adalah proses pembuatan baja yang khusus di mana logam cair, biasanya baja atau paduan, dilebur dan disempurnakan dalam lingkungan tertutup dengan tekanan rendah. Tujuan utama dari proses ini adalah untuk memproduksi baja dengan kemurnian tinggi, bebas inklusi, dengan komposisi kimia yang tepat, sering kali untuk aplikasi dirgantara, nuklir, atau kinerja tinggi.

Dalam rantai manufaktur baja secara keseluruhan, peleburan vakum berfungsi sebagai langkah penyempurnaan sekunder, setelah proses utama seperti peleburan tungku oksigen dasar (BOF) atau peleburan tungku busur listrik (EAF). Ini ditempatkan pada tahap akhir produksi baja, memastikan penghilangan kotoran dan gas yang tidak diinginkan, serta mencapai standar kualitas ketat yang diperlukan untuk aplikasi khusus.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Prinsip rekayasa dasar di balik peleburan vakum melibatkan peleburan baja dalam lingkungan tekanan rendah yang terkontrol untuk memfasilitasi penghilangan gas terlarut dan inklusi. Dengan mengurangi tekanan ambient, kotoran yang mudah menguap seperti hidrogen, nitrogen, dan oksigen dikeluarkan dari logam cair, menghasilkan baja yang lebih bersih.

Komponen teknologi kunci termasuk ruang vakum atau wadah, crucible peleburan, dan sistem tambahan seperti pembersihan gas argon atau gas inert, elemen pemanas, dan sistem evakuasi gas. Ruang vakum biasanya dibangun dari paduan suhu tinggi seperti molibdenum atau baja tahan karat untuk menahan stres termal dan korosi.

Proses dimulai dengan mentransfer baja yang telah dilebur sebelumnya ke dalam ruang vakum, di mana ia dilebur lebih lanjut menggunakan pemanasan induksi listrik atau pemanasan resistensi. Selama peleburan, ruang tersebut dievakuasi ke tekanan rendah yang telah ditentukan, sering kali di bawah 1 Pa (0.0075 Torr). Baja cair diaduk atau digerakkan untuk mempromosikan keseragaman dan memfasilitasi penghilangan kotoran. Setelah komposisi kimia dan kebersihan yang diinginkan tercapai, logam cair dicetak menjadi ingot atau bentuk lainnya.

Parameter Proses

Variabel proses kritis termasuk tingkat vakum, suhu, intensitas pengadukan, dan durasi. Tingkat vakum yang khas berkisar antara 1 hingga 10 Pa, tergantung pada paduan dan kemurnian yang diinginkan. Suhu peleburan umumnya dipertahankan antara 1.600°C dan 1.700°C untuk baja.

Hubungan antara parameter proses dan karakteristik output adalah langsung: tingkat vakum yang lebih rendah meningkatkan penghilangan kotoran tetapi memerlukan peralatan yang lebih canggih dan input energi. Kontrol suhu yang tepat memastikan peleburan yang benar dan mencegah overheating atau segregasi paduan. Pengadukan atau agitasi elektromagnetik meningkatkan homogenitas dan pengapungan kotoran.

Sistem kontrol memanfaatkan sensor waktu nyata untuk suhu, tekanan, dan komposisi gas, terintegrasi dengan algoritma kontrol otomatis untuk mempertahankan kondisi optimal. Pemantauan tingkat kotoran, seperti hidrogen dan nitrogen, dilakukan melalui analisis gas, memastikan stabilitas proses dan kualitas produk.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi peleburan vakum yang khas terdiri dari ruang vakum tertutup yang dipasang pada fondasi yang diperkuat, dengan dimensi bervariasi dari unit skala laboratorium kecil (~1 ton kapasitas) hingga tungku skala industri besar (~20 ton kapasitas). Ruang tersebut dilengkapi dengan penutup atau tutup yang menutup rapat selama operasi.

Variasi desain termasuk sistem peleburan busur vakum (VAR) dan peleburan electroslag (ESR), yang menggabungkan tahap penyempurnaan tambahan atau mekanisme peleburan yang berbeda. Seiring waktu, peralatan telah berkembang untuk menggabungkan isolasi yang lebih canggih, pompa vakum yang lebih baik, dan sistem pemanas yang lebih efisien untuk mengurangi konsumsi energi dan meningkatkan kontrol proses.

Sistem tambahan termasuk pompa vakum (vane putar, difusi, atau turbomolekuler), saluran pasokan gas inert, sistem pendingin air, dan kontrol otomatisasi. Sistem ini bekerja sama untuk mempertahankan tingkat vakum, suhu, dan atmosfer proses yang diperlukan.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Selama peleburan vakum, reaksi kimia utama melibatkan penghilangan gas terlarut dan kotoran. Reaksi kunci termasuk:

• Gas hidrogen (H₂) dan nitrogen (N₂) terlarut yang melarikan diri dari baja cair karena tekanan yang berkurang.
• Oksidasi kotoran residu, yang diminimalkan dengan mempertahankan lingkungan rendah oksigen.
• Pengurangan potensial oksida atau inklusi jika elemen reaktif ditambahkan atau jika fluks tertentu digunakan.

Secara termodinamika, penghilangan gas didorong oleh hukum Henry, di mana penurunan tekanan menggeser keseimbangan, mempromosikan pembebasan gas. Secara kinetik, pengadukan dan suhu mempengaruhi laju di mana kotoran dikeluarkan.

Produk reaksi yang signifikan termasuk logam murni, gas seperti H₂, N₂, dan CO, serta terak atau inklusi yang mengapung ke permukaan dan dihilangkan. Proses ini bertujuan untuk meminimalkan pembentukan inklusi oksida dan kotoran non-logam lainnya.

Transformasi Metalurgi

Perubahan metalurgi kunci melibatkan pelarutan dan penghilangan inklusi non-logam, seperti oksida, sulfida, dan silikat. Proses ini mempromosikan pembentukan baja yang lebih bersih dengan lebih sedikit inklusi, meningkatkan sifat mekanis.

Secara mikroskopis, peleburan vakum dapat memperhalus ukuran butir dan mempromosikan keseragaman. Transformasi fase minimal selama peleburan tetapi sangat penting selama solidifikasi dan perlakuan panas berikutnya. Proses ini dapat mempengaruhi distribusi elemen paduan, menghasilkan mikrostruktur yang homogen.

Transformasi ini secara langsung mempengaruhi sifat-sifat seperti ketangguhan, duktilitas, dan ketahanan terhadap kelelahan. Mencapai mikrostruktur yang halus dan seragam dengan sedikit inklusi meningkatkan kinerja baja dalam aplikasi yang menuntut.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, bahan refraktori, dan atmosfer dikelola dengan hati-hati. Baja cair dapat bereaksi dengan bahan refraktori, yang dapat menyebabkan kontaminasi jika terjadi korosi refraktori.

Pembentukan terak diminimalkan dengan mengontrol lingkungan kimia dan menambahkan fluks jika diperlukan. Bahan refraktori dipilih untuk ketahanan korosi yang tinggi, seperti bata berbasis alumina atau zirkonia.

Interaksi atmosfer ditekan dengan mempertahankan vakum berkualitas tinggi dan lingkungan gas inert, mencegah oksidasi atau kontaminasi. Metode seperti penutup pelindung dan pembersihan gas inert membantu mengontrol interaksi yang tidak diinginkan.

Alur Proses dan Integrasi

Bahan Masukan

Bahan masukan termasuk baja atau ingot paduan yang telah dilebur sebelumnya, limbah, atau ferroalloy, tergantung pada tahap proses. Komposisi kimia dan kebersihan dari bahan masukan ini sangat penting, karena mempengaruhi kualitas produk akhir.

Persiapan melibatkan memastikan suhu peleburan yang tepat, homogenitas, dan tidak adanya kontaminan permukaan. Penanganan memerlukan sistem transfer tertutup untuk mencegah penyerapan gas atau kontaminasi.

Kualitas masukan secara langsung mempengaruhi kinerja proses; masukan dengan kemurnian tinggi memfasilitasi pencapaian baja ultra-bersih dengan kontrol komposisi yang ketat.

Urutan Proses

Urutan operasional dimulai dengan mentransfer baja yang telah dilebur sebelumnya ke dalam ruang vakum, diikuti dengan penyegelan dan evakuasi. Baja kemudian dilebur menggunakan pemanasan induksi listrik atau pemanasan resistensi.

Selama peleburan, penghilangan kotoran dan homogenisasi terjadi, sering kali dengan pengadukan atau agitasi elektromagnetik. Setelah komposisi kimia dan kebersihan yang diinginkan dikonfirmasi melalui sensor, baja cair dicetak atau dipindahkan untuk pemrosesan lebih lanjut.

Pendinginan dan solidifikasi mengikuti, dengan perlakuan panas atau pemrosesan mekanis berikutnya sesuai kebutuhan. Waktu siklus