Deteksi dan Pengendalian Inklusi dalam Baja Cetak Langsung untuk Kualitas Unggul
Pendahuluan
Pencetakan terus (continuous casting) merupakan proses penting dalam produksi baja di seluruh dunia, berkat keuntungan inherentnya seperti hemat energi, hasil tinggi, fleksibilitas operasi, dan kualitas produk cetak yang kompetitif. Sejak pencetakan terus menjadi jalur utama produksi baja, penekanan semakin bertumbuh pada peningkatan kualitas dan pengurangan biaya produksi melalui teknologi pencetakan terus. Salah satu persyaratan kualitas yang paling ketat saat ini adalah kebersihan baja. Kebersihan baja yang tinggi membutuhkan kontrol ketat terhadap inklusi non-logam atau inklusi selama proses pencetakan terus. Inklusi yang tersisa dalam produk akhir dapat merusak properti baja dan menurunkan kualitasnya.
Tantangan Pengelolaan Inklusi
Pengelolaan inklusi dalam cetakan pencetakan terus sulit karena baja cair menjadi padat dan inklusi memiliki peluang lebih kecil untuk terapung keluar. Pengelolaan inklusi dan distribusi akhir inklusi dalam produk baja sangat tergantung pada properti inklusi, transportasi inklusi dalam baja cair, dan interaksi antara inklusi dengan cakungan yang menyeku. Oleh karena itu, pemahaman mengenai penjerapan inklusi dan distribusi akhir inklusi dalam produk akhir sangat penting untuk mengontrol kebersihan dan kualitas produk baja.
Masalah kualitas permukaan baja panas dan/atau dingin yang diluluhkan selalu menjadi salah satu perhatian utama karena berkaitan langsung dengan kualitas dan harga baja. Kualitas permukaan baja diluluhkan juga dipengaruhi oleh operasi pencetakan terus dan proses pemanas ulang, karena inklusi adalah salah satu penyebab utama kerucilan permukaan pada baja diluluhkan. Ada upaya untuk meningkatkan kualitas permukaan baja dengan memodifikasi komposisi dan morfologi inklusi berdasarkan perhitungan termodinamika. Namun, upaya-upaya ini tampaknya masih tidak cukup untuk menyelesaikan masalah kualitas permukaan sepenuhnya.
Evaluasi dan Dampak Inklusi
Evaluasi inklusi dalam baja menarik perhatian besar dan mencakup (i) eksplorasi jumlah total, morfologi, distribusi ukuran, dan distribusi spasial inklusi, serta (ii) identifikasi komposisi kimia inklusi.
Permintaan yang semakin tinggi terhadap produk baja berkualitas tinggi telah membuat tenaga pembuatan baja semakin menyadari akan kebutuhan akan kebersihan baja. Inklusi adalah masalah penting dalam baja cetak yang dapat menyebabkan perbaikan berlebihan atau penolakan. Beberapa defect dalam produk baja diluluhkan dapat terkait dengan inklusi. Perilaku mekanik baja dikontrol dalam besarnya oleh fraksi volume, ukuran, distribusi, komposisi, dan morfologi inklusi dan endapan yang bertindak sebagai peningkatan stres. Distribusi ukuran inklusi sangat penting, karena inklusi makro besar adalah yang paling berbahaya bagi properti mekanik. Kadang-kadang, defect katastrofik disebabkan oleh hanya satu inklusi besar dalam satu panas baja penuh. Meskipun inklusi besar jauh lebih sedikit daripada inklusi kecil, fraksi volume totalnya dapat besar.
Kekuatan regangan menurun secara signifikan seiring dengan peningkatan jumlah inklusi oksida atau sulfida. Juga, ketahanan retak menurun ketika inklusi ada dalam baja alloy kekuatan tinggi dengan kekuatan regangan rendah. Degradasi properti serupa dari inklusi diamati dalam tes yang mencerminkan laju regangan lambat, cepat, atau siklus, seperti tes crep, impak, dan fatigue. Selain itu, inklusi menyebabkan void yang dapat menginduksi retak. Inklusi eksogen besar dapat menyebabkan masalah dalam bentuk permukaan yang buruk, kemampuan pengkilapan yang rendah, resistensi terhadap korosi yang berkurang, dan dalam kasus ekstensif, garis escak dan laminasi.
Inklusi juga menurunkan resistensi terhadap 'retak yang diinduksi hidrogen' (HIC). Sumber mayoritas masalah fatigue dalam baja adalah oksida yang keras dan rapuh, terutama partikel alumina (Al2O3) besar dengan ukuran di atas 30 mikrometer. Meskipun morfologi penyekuan inklusi penting dalam baja cetak, morfologi inklusi dalam produk baja olahan besarnya dikontrol oleh perilaku mekaniknya selama proses pembuatan baja, yaitu apakah mereka 'keras' atau 'lembut' relatif terhadap matriks baja. Perilaku berbagai jenis inklusi dengan deformasi selama penggilingan ditunjukkan secara skematis pada Gambar 1.
Gambar 1 Perilaku inklusi selama deformasi
Formasi 'stringer', tipe (b) dan (c) pada Gambar 1, meningkatkan direksionalitas properti mekanik, sehingga berdampak buruk pada ketahanan dan kekuatan regangan terutama. Inklusi terburuk untuk ketahanan dan kekuatan regangan, khususnya dalam properti arah ketebalan produk diluluhkan rata, adalah yang deformasi dengan matriks, seperti (d) pada Gambar 1. Untuk menghindari masalah ini, ukuran dan frekuensi inklusi yang berdampak buruk harus dikontrol dengan hati-hati. Khususnya, tidak ada inklusi yang boleh ada dalam baja cetak di atas ukuran kritis.
Jenis dan Sumber Inklusi
Karakterisasi inklusi adalah salah satu aspek terpenting untuk menjamin baja bersih. Inklusi adalah jenis defect yang ada dalam baja yang sangat mempengaruhi properti seperti kemampuan pengkilapan, kekuatan regangan, dan ketahanan fatigue baja. Oleh karena itu, inklusi harus dikontrol untuk produksi baja berperforma tinggi. Inklusi primer terbentuk selama perlakuan baja di cetakan. Sebagian besar ini diangkut ke escak cetakan atau pada penutup. Namun, sisa inklusi masih harus diangkut melalui tahap proses berturut-tempat dan tambahan inklusi terbentuk selama pencetakan dan penyekuan.
Karena jumlah inklusi menurun seiring dengan peningkatan ukuran, interval ukuran yang berbeda mempraktikkan masalah yang berbeda. Terhadap kemampuan pengkilapan, jumlah besar inklusi kecil lebih berbahaya daripada inklusi besar namun sekaligus lebih jarang hanya karena sering terjadi. Di sisi lain, pada tingkat stres rendah, retak kritis yang dapat menyebabkan kegagalan selama umur produk baja, paling besarnya tumbuh pada inklusi yang sangat besar. Inklusi ini jarang dan sulit untuk memperkirakan densitas kemunculan dengan benar. Pada tingkat stres fatigue menengah, inklusi dengan ukuran menang bersaing dengan defect permukaan sebagai titik inisiasi retak.
Inklusi dalam baja dapat terbentuk secara endogen (indigen) atau eksogen. Inklusi endogen adalah hasil dari reaksi elemen alloy dalam baja dengan gas yang terlarut (seperti oksigen) untuk membentuk inklusi padat dalam baja cetak. Inklusi dapat terbentuk selama deoksidasi, reoksidasi, atau penyekuan dari kurangi kelarutan gas spesies dalam keadaan padat. Inklusi eksogen berasal dari sumber di luar baja cair, seperti penjerapan escak, atau kerusakan refractory.
Inklusi Endogen
Inklusi endogen adalah produk deoksidasi atau inklusi endapan selama pendinginan dan penyekuan baja.
Produk deoksidasi – Inklusi alumina dalam baja aluminum killed rendah karbon (LCAK), dan inklusi silika (SiO2) dalam baja silicon killed, yang dihasilkan oleh reaksi antara oksigen terlarut dan deoksidan aluminium dan silikon yang ditambahkan, adalah inklusi deoksidasi tipikal. Inklusi alumina bersifat dendritik ketika terbentuk dalam lingkungan oksigen tinggi. Inklusi alumina tipe klaster dari deoksidasi atau reoksidasi, adalah tipikal pada baja aluminium killed. Inklusi alumina mudah membentuk klaster tiga dimensi melalui tabrakan dan agregasi karena energi interfes yang tinggi. Inklusi individu dalam klaster dapat berukuran 1 mikrometer hingga 5 mikrometer dalam diameter. Sebelum tabrakan, breakup, atau agregasi dengan partikel lain, mereka dapat berbentuk papan bunga, atau (agregasi) inklusi poliedral. Secara alternatif, inklusi alumina seperti terang diyakini berasal dari 'Ostwald-ripening' dari inklusi alumina dendritik atau klaster awal. Inklusi silika biasanya berbentuk bola karena berada dalam keadaan cair atau kaca dalam baja cair. Silika juga dapat mengagregasi menjadi klaster.
Inklusi endapan – Inklusi ini terbentuk selama pendinginan dan penyekuan baja. Selama pendinginan, konsentrasi oksigen / nitrogen / sulfida yang terlarut dalam cairan menjadi lebih tinggi sementara kelarutan elemen-elemen tersebut menurun. Maka inklusi seperti alumina, silika, aluminium nitride (AlN), dan sulfida menyebab. Sulfida terbentuk inter-dendritik selama penyekuan, dan sering menukle pada oksida yang sudah ada dalam baja cair. Inklusi ini biasanya kecil (kurang dari 10 mikrometer ukurannya).
Inklusi Eksogen
Inklusi eksogen timbul terutama dari interaksi kimia (reoksidasi) dan mekanis insidental antara baja cair dengan lingkungannya (penjerapan escak dan erosi lining refractory). Selama pemesinan, mereka menghasilkan bergetar, menyebabkan lobak dan gigitan pada permukaan bagian yang dipemesinan, patahnya yang sering, serta keausan alat berlebihan.
Inklusi eksogen selalu terkait praktik dan ukuran serta komposisi kimianya seringkali mengarah pada identifikasi sumbernya, dan sumbernya terutama reoksidasi, penjerapan escak, erosi lining, dan reaksi kimia. Inklusi ini memiliki karakteristik berikut.
Ukuran besar – Inklusi eksogen dari erosi refractory biasanya lebih besar daripada yang dari penjerapan escak.
Komposisi senyawa / sifat multi-fasa – Inklusi eksogen disebabkan oleh fenomena yaitu (i) karena reaksi antara baja cair dan silika, FeO, dan MnO dalam escak dan lining refractory dengan inklusi alumina yang dihasilkan dapat tetap di permukaannya, (ii) ketika inklusi eksogen bergerak, karena ukurannya besar, mereka dapat menjerap inklusi deoksidasi seperti alumina di permukaannya, (iii) inklusi eksogen bertindak sebagai situs inti heterogen untuk endapan inklusi baru selama geraknya dalam baja cair, dan (iv) escak atau inklusi reoksidasi dapat bereaksi dengan lining refractory atau melepas materi lebih jauh ke dalam baja cair.
Bentuk – Inklusi eksogen biasanya berbentuk tidak teratur, jika tidak berbentuk bola dari penjerapan escak atau produk deoksidasi silika. Inklusi eksogen yang berbentuk bola biasanya besar (lebih dari 50 mikrometer) dan sebagian besar multi-fasa, tetapi inklusi deoksidasi yang berbentuk bola biasanya kecil dan satu fasa.
Jumlah – Inklusi eksogen sedikit dalam jumlahnya dibandingkan dengan inklusi kecil.
Distribusi – Inklusi eksogen memiliki distribusi spasial dalam baja dan tidak terdistribusi dengan baik seperti inklusi kecil. Karena mereka biasanya tertangkap dalam baja selama penuangan dan penyekuan, kemunculan mereka adalah akidental dan spasial. Di sisi lain, mereka mudah terapung keluar, sehingga hanya terkonsentrasi di wilayah bagian baja yang menyeku paling cepat atau di zona dari mana pelarian mereka melalui terapungan terhambat dengan cara tertentu. Oleh karena itu, inklusi ini sering ditemukan di dekat permukaan.
Efek terhadap properti baja – Inklusi eksogen lebih berbahaya bagi properti baja daripada inklusi kecil karena ukurannya yang besar.
Salah satu masalah yang mengatasi sumber inklusi eksogen adalah mengapa inklusi besar tersebut tidak terapung keluar dengan cepat setelah berada dalam baja. Alasan yang mungkin dapat berupa (i) terbentuk terlambat selama pembuatan baja, transfer, atau erosi dalam wadah metalurgi yang menyisakan waktu yang tidak cukup untuk mereka naik sebelum memasuki cetakan mesin pencetakan, (ii) kurangnya superheat yang cukup, (iii) aliran fluida selama penyekuan menginduksi penjerapan escak cetakan, atau (iv) re-entrainment inklusi yang telah terapung sebelum mereka sepenuhnya memasuki escak.
Inklusi Eksogen dari Reoksidasi
Bentuk yang paling umum dari inklusi makro besar dari reoksidasi yang ditemukan dalam baja adalah klaster alumina. Udara adalah sumber reoksidasi yang paling umum, yang dapat terjadi (i) baja cair dalam tundish bercampur dengan udara dari permukaan atasnya pada awal penuangan karena turbulensi yang kuat dan film oksida di permukaan cairan yang mengalir dilipat ke dalam cairan, membentuk bidang lemah dari partikel oksida, (ii) udara disedot ke dalam baja cair di persimpangan antara cetakan dan tundish, dan antara tundish dan cetakan, dan (iii) udara menembus ke dalam baja dari permukaan atas baja dalam cetakan, tundish, dan cetakan selama penuangan.
Selama jenis reoksidasi ini, elemen deoksidasi, seperti aluminium, kalsium, dan silikon dll. secara preferensial dioksidasi dan produk mereka berkembang menjadi inklusi, biasanya satu hingga dua orde besar lebih besar daripada inklusi deoksidasi. Solusi untuk mencegah jenis reoksidasi ini adalah membatasi paparan udara pada proses pencetakan. Ini dapat dilakukan (i) dengan penyekuan dengan tirai gas inerta menggunakan manifold baja cincin atau cincin refractory porous di sekitar sambungan antara cetakan dan tundish, dan antara tundish dan cetakan, (ii) dengan menyuntikkan gas argon ke dalam tundish sebelum penuangan, dan ke dalam permukaan tundish selama penuangan, dan (iii) dengan mengontrol injeksi gas argon di cetakan untuk menghindari pembentukan mata.
Sumber reoksidasi lainnya adalah dalam escak dan lining refractory. Dengan mekanisme reoksidasi ini, inklusi dalam baja tumbuh saat mereka mendekati interface escak atau lining melalui reaksi SiO2 / FeO / MnO + [Al] = [Si] / [Fe] / [Mn] + Al2O3. Ini mengarah pada inklusi alumina yang lebih besar dengan komposisi yang bervariasi. Fenomena ini lebih jauh mempengaruhi inklusi eksogen dengan cara yang berbeda yaitu (i) reaksi ini dapat mengerosi dan merata permukaan lining, yang mengubah pola aliran fluida di dekat dinding lining dan dapat menginduksi breakup lebih lanjut yang dipercepat dari lining, dan (ii) inklusi eksogen besar dari lining yang pecah atau escak yang tertangkap dapat menjerap inklusi kecil, seperti produk deoksidasi, dan juga bertindak sebagai inti heterogen untuk endapan baru yang menyusutkan komposisi inklusi eksogen.
Untuk mencegah reoksidasi dari escak dan lining refractory, sangat penting untuk menjaga kandungan SiO2, FeO, dan MnO yang rendah. Telah dilaporkan bahwa batu bata alumina atau zirconia tinggi yang mengandung silika bebas yang rendah lebih sesuai untuk digunakan.
Inklusi Eksogen dari Penjerapan Escak
Setiap operasi pembuatan baja atau transfer baja cair melibatkan pencampuran turbulensi escak dan logam, terutama selama transfer antara wadah. Ini menghasilkan partikel escak yang tersusun dalam baja. Inklusi escak, ukuran 10 mikrometer hingga 300 mikrometer, mengandung kuantitas besar CaO (kapur) atau MgO (magnesia), dan biasanya cair pada suhu baja cair dan oleh karena itu berbentuk bola. Penggunaan tundish berbentuk 'H' dan penuangan melalui dua cetakan mengurangi penjerapan escak selama periode pergantian cetakan. Penyebab yang mempengaruhi penjerapan escak ke dalam baja cair selama proses pencetakan terus mencakup (i) selama operasi transfer dari cetakan ke tundish dan dari tundish ke cetakan terutama untuk penuangan terbuka, vortex di permukaan atas baja cair yang pada tingkat rendah baja cair dapat dihindari dengan beberapa cara seperti mematikan penuangan sebelum munculnya vortex, (ii) emulifikasi dan penjerapan escak di permukaan atas terutama di bawah pengacauan gas di atas laju gas kritis, (iii) turbulensi di meniskus di cetakan, dan (iv) properti escak seperti tegangan interfes dan viskositas escak.
Sebagai contoh, bubuk cetakan dapat tertangkap ke dalam baja cair karena (i) turbulensi di meniskus (Gambar 2A), (ii) vortex (Gambar 2C), (iii) emulifikasi yang diinduksikan oleh gelembung yang bergerak dari baja ke escak [Gambar 2B dan 2D), (iv) disedot sepanjang dinding nozzle karena perbedaan tekanan (2E), (v) aliran kecepatan tinggi yang menggerayangi escak dari permukaan (2A), dan (vi) fluktuasi tingkat (Gambar 2B).
Gambar 2 Skematis penjerapan bubuk cetakan
Tegangan interfes antara baja dan bubuk cetakan cair menentukan tinggi meniskus baja, dan kemudahan penjerapan flux. Secara spesifik, tegangan interfes 1,4 newton per meter (N/m) untuk escak kapur-silika-alumina yang bersentuhan dengan besi murni menghasilkan tinggi meniskus sekitar 8 mm. Tegangan interfes diturunkan ke nilai rendah oleh spesies aktif permukaan seperti sulfur atau oleh reaksi pertukaran interfes seperti oksidasi aluminium dalam baja oleh besi oksida dalam escak. Tegangan interfes sangat rendah yang terkait dengan reaksi kimia dapat menyediakan turbulensi spontan di interface, melalui efek Marangoni. Turbulensi tersebut dapat menciptakan emulsi di interface, menciptakan titik-titik escak yang tidak diinginkan dalam baja.
Inklusi Eksogen dari Erosi / Korosi Lining Refractory
Erosi refractory, yang mencakup pasir blok sumur, kotoran longgar, batu bata refractory yang pecah, dan partikel lining keramik, adalah sumber yang sangat umum dari inklusi eksogen besar yang biasanya padat dan terkait dengan materi cetakan dan tundish itu sendiri. Ini biasanya bahan yang besar dan berbentuk tidak teratur. Inklusi eksogen dapat bertindak sebagai situs untuk inti heterogen alumina, atau agregasi dengan inklusi indigen lainnya. Kejadian produk erosi refractory atau inklusi yang diperkenalkan secara mekanis dapat sepenuhnya merusak kualitas baja yang sebenarnya sangat bersih.
Dalam beberapa studi untuk menyelidiki proses erosi, telah dilaporkan bahwa 'refractory yang berlapis kaca' dan 'lapisan reaksi di permukaan batu bata' terbentuk dengan baja cair pada 1.550 derajat C hingga 1.600 derajat C. Penumpukan inklusi besar di permukaan lining juga dapat dilepaskan ke dalam baja cair.
Erosi lining biasanya terjadi di daerah aliran turbulensi, terutama ketika digabungkan dengan reoksidasi, suhu penuangan tinggi, dan reaksi kimia. Parameter yang sangat mempengaruhi erosi lining dijelaskan di bawah ini.
Beberapa grade baja cukup korosif (seperti baja mangan tinggi dan grade yang jarang killed dan memiliki kandungan oksigen terlarut yang tinggi) dan menyerang batu bata lining.
Reaksi reoksidasi, seperti yang di mana aluminium yang terlarut dalam baja cair mengurangi silika dalam lining refractory, menghasilkan inklusi berbasis besi oksida yang sangat reaktif dan membasahi bahan lining, mengarah pada erosi lining refractory di daerah turbulensi fluida tinggi.
Komposisi dan kualitas batu bata memiliki efek yang besar pada kualitas baja. Di salah satu pabrik, tiga jenis bahan (alumina tinggi, Al2O3-SiC-C, dan MgO-C dengan laju keausan 1 mm / panas, 0,34 mm / panas, 0,16 mm / panas masing-masing) telah diadopsi di garis escak, di mana refractory cenderung rusak oleh erosi flux tundish dan escak, dan batu bata MgO-C menunjukkan daya tahan tertinggi di antara tiga. Besi oksida secara preferensial menyerang bagian silika yang terkandung dalam refractory. Bijih alumina dan zirconia sangat murni dapat menahan serangan oleh besi oksida mangan.
Erosi refractory yang cepat dari baja mangan tinggi dapat dibatasi oleh (i) penggunaan refractory alumina atau zirconia sangat murni, (ii) meminimalkan oksigen dengan killed sepenuhnya baja dengan deoksidan kuat seperti aluminium atau kalsium, dan mencegah penyerapan udara. Lining tundish berbasis silika lebih buruk daripada lining spray berbasis magnesia. Refractory alumina tinggi sedang diusulkan sebagai yang paling menjanjikan. Penggabungan oksida kalsium ke dalam refractory nozzle dapat membantu dengan mencairkan inklusi alumina di dinding, asalkan difusi CaO ke interface cukup cepat dan erosi nozzle bukan masalah. Erosi nozzle dapat diatasi dengan mengontrol komposisi refractory nozzle, (misalnya menghindari impurity natrium, kalium, dan silikon), atau melapis dinding nozzle dengan alumina murni, boron nitride, atau bahan tahan lainnya. Refractory di permukaan dinding shroud harus dipilih untuk meminimalkan reaksi dengan baja yang menciptakan inklusi dan penutupan.
Kecepatan berlebihan baja cair mempengaruhi erosi lining di sepanjang dinding di tundish, seperti zona inlet. Sebuah pad dapat digunakan untuk mencegah dasar tundish dari erosi, serta mengontrol pola aliran. Telah diusulkan bahwa kecepatan baja cair di atas 1 meter per detik berbahaya terkait erosi.
Kontak atau waktu pengisian yang berlebihan dan suhu tinggi memburukkan masalah erosi. Selama periode pemakaian lama di cetakan, inklusi besar dapat terapung keluar ke escak cetakan. Namun, semakin lama baja dalam kontak dengan lining cetakan, semakin besar kecenderungan produk erosi cetakan. Solusi didasarkan pada pengembangan refractory yang sangat stabil untuk grade baja tertentu, pengembangan insert refractory padat tahan aus untuk area aliran tinggi, dan pencegahan reoksidasi.
Inklusi Eksogen dari Reaksi Kimia
Reaksi kimia menghasilkan oksida dari modifikasi inklusi ketika perlakuan kalsium dilakukan secara tidak tepat. Identifikasi sumber inklusi ini tidak selalu mudah, karena misalnya, inklusi yang mengandung oksida kalsium juga dapat berasal dari escak yang tertangkap.
Agregasi dan Penutupan Inklusi
Agregasi inklusi padat dapat terjadi pada permukaan apa pun dengan bantuan efek tegangan permukaan, termasuk di permukaan refractory dan gelembung. Tegangan kontak tinggi alumina dalam baja cair (134 derajat hingga 146 derajat) mendorong inklusi untuk menempel pada refractory untuk meminimalkan kontak dengan baja. Suhu tinggi 1.530 derajat C memungkinkan sintering alumina terjadi. Tegangan kontak besar dan ukuran inklusi besar mendukung agregasi inklusi. Karena tabrakan dan agregasi, inklusi dalam baja cenderung tumbuh seiring waktu dan suhu. Pertumbuhan inklusi melalui tabrakan, agregasi, dan koagulasi di ingot telah menjadi subjek berbagai studi, di mana simulasi numerik inti inklusi dimulai dari penambahan deoksidan dan pertumbuhan melalui tabrakan dan difusi dari ukuran nano ke mikro dilaporkan.
Dasar sintering alumina menjadi klaster memerlukan penyelidikan lebih lanjut, meskipun beberapa studi telah menggunakan teori fraktal untuk menggambarkan morfologi klaster (fitur). Contoh yang paling jelas dari agregasi inklusi di permukaan lining refractory adalah penutupan nozzle selama pencetakan terus baja cair.
Efek Aliran Fluida dan Penyekuan terhadap Inklusi
Distribusi inklusi dalam pencetakan terus baja dipengaruhi oleh aliran fluida, transfer panas, dan penyekuan baja cair. Indeks populer untuk penjerapan inklusi adalah kecepatan maju kritis depan penyekuan, yang dipengaruhi oleh beberapa parameter seperti bentuk inklusi, densitas, energi permukaan, konduktivitas termal, laju pendinginan (laju penyekuan), dan kondisi protruding dari depan penyekuan. Telah dilaporkan bahwa penjerapan dikontrol oleh gaya drag dan gaya interfes (gaya Van der Waals). Telah diusulkan bahwa semakin cepat laju penyekuan, semakin tinggi probabilitas penjerapan. Probabilitas penjerapan menurun seiring dengan peningkatan waktu penyekuan, segregasi lebih sedikit, protruding lebih kecil pada depan penyekuan. Jarak cabang dendritik memiliki efek besar pada penjerapan inklusi dan terkait dengan fenomena mendorong, menelan, atau penjerapan.
Operasi Pencetakan Terus, Inklusi, dan Baja Bersih
Operasi pencetakan terus mengontrol kebersihan baja. Studi sistematis tentang pengelolaan inklusi telah ditemukan bahwa perlakuan cetakan menurunkan inklusi sekitar 65 % hingga 75 %, tundish mengelola inklusi sekitar 20 % hingga 25 %, meskipun reoksidasi kadang-kadang telah terjadi, dan cetakan mengelola inklusi sekitar 5 % hingga 10 %. Operasi tundish memiliki efek besar pada kebersihan baja. Faktor penting dalam operasi tundish yang berpengaruh pada kebersihan baja adalah kedalaman dan kapasitas tundish, transisi pencetakan, lining refractory tundish, flux tundish, pengacauan gas argon, dan kontrol aliran tundish.
Escak Atas
Escak atas di cetakan dan tundish menyediakan beberapa fungsi seperti (i) isolasi baja cair secara termal (untuk mencegah kehilangan panas berlebihan) dan secara kimia (untuk mencegah penyerapan udara dan reoksidasi), dan (ii) penyerapan inklusi untuk menyediakan pemurnian baja tambahan. Flux tundish umum adalah sekam padi yang dibakar, yang murah, isolator yang baik, dan memberikan cakupan yang baik tanpa kerut. Namun, sekam padi tinggi dalam silika (sekitar 80 % SiO2), yang dapat direduksi untuk membentuk sumber inklusi. Mereka juga sangat debu dan dengan kandungan karbon yang tinggi, (sekitar 10 % C), dapat menyebabkan kontaminasi baja karbon ultra rendah.
Flux dasar (berbasis CaO-Al2O3-SiO2, dan silika kurang dari 10 %) secara teori jauh lebih baik daripada sekam padi selama pemurnian baja LCAK, dan telah dikorelasikan dengan oksigen lebih rendah di tundish. Sebagai contoh, dalam satu studi, total oksigen telah menurun dari kisaran 25 ppm (parts per million) dan 50 ppm ke kisaran 19 ppm dan 35 ppm dengan basisitas flux meningkat dari 0,83 hingga 11. Di salah satu pabrik baja, penggunaan flux dasar, total oksigen di cetakan telah dilaporkan lebih rendah, dan defect produk baja telah menurun. Namun, lebih mungkin, flux dasar tidak efektif karena mudah membentuk kerat di permukaan, karena laju mencair yang lebih tinggi dan suhu kristalisasi yang tinggi. Kerat ini mengakibatkan evolusi mata terbuka bebas escak di sekitar shroud cetakan selama penuangan, yang tidak hanya menyediakan area berlebihan untuk reoksidasi, tetapi juga memungkinkan kehilangan panas radiasi yang signifikan dan ketidaknyamanan bagi operator di platform kerja. Juga, flux dasar biasanya memiliki viskositas lebih rendah. Oleh karena itu, mereka lebih mudah ditangkap. Untuk menghindari masalah ini, satu pabrik baja telah menggunakan flux dua lapis, dengan flux dasar titik mencair rendah di bawah untuk menyerap inklusi, dan lapis atas flux berbasis sekam padi untuk menyediakan isolasi. Ini telah menurunkan total oksigen dari 22,5 ppm hingga 16,5 ppm.
Kedalaman, Kapasitas, dan Perangkat Kontrol Aliran Tundish
Pola aliran tundish harus dirancang untuk meningkatkan waktu tinggal baja cair, mencegah 'pendek sirkulasi' dan mempromosikan pengelolaan inklusi. Aliran tundish dikontrol oleh geometrinya, tingkat, desain inlet (shroud), dan perangkat kontrol aliran seperti impact pad, weir, dam, baffle, dan filter. Tundish dalam dengan kapasitas besar meningkatkan waktu tinggal baja cair dan partikel dan oleh karena itu mendorong pengelolaan inklusi. Tundish dalam juga men discourage pembentukan vortex, memberikan lebih banyak waktu untuk transisi cetakan sebelum penjerapan escak menjadi masalah. Ukuran tundish untuk baja LCAK telah secara bertahap meningkat di seluruh dunia selama 20 tahun terakhir, biasanya mencapai 60 ton hingga 80 ton dengan kedalaman sekitar 1,8 meter inchi dalam kasus mesin pencetakan terus slab.
Jika diselaraskan dengan benar, dan mungkin bersama dengan weir(s) dan dam(s), pour pad dapat meningkatkan kebersihan baja, terutama selama pergantian cetakan. Sebagai contoh, penambahan pour pad di salah satu pabrik baja telah menurunkan alumina selama transisi cetakan dari 48 ppm hingga 15 ppm. Di pabrik baja lain, total oksigen telah menurun dari 26 ppm (dengan pad domed) hingga 22 ppm (dengan pad hubcap). Di pabrik baja lain, kebersihan baja telah meningkat dengan membuat 77 lubang di dam mereka, membuatnya bertindak sebagai filter parsial. Di pabrik baja lain, teknik serupa yang terdiri dari baffle gabungan dengan cover tundish awal telah menurunkan rata-rata total oksigen di tundish selama pencetakan keadaan stabil dari 39 +/- 8 ppm hingga 24 +/- 5 ppm.
Filter keramik dan filter CaO sangat efektif dalam mengelola inklusi. Namun, biaya dan waktu operasi efektif sebelum penutupan biasanya membuat penggunaan mereka terlarang. Penginjeksi gas inerta ke dalam tundish dari dasarnya meningkatkan pencampuran baja cair, dan mempromosikan tabrakan dan pengelolaan inklusi. Di salah satu pabrik baja, dengan menerapkan teknologi ini total oksigen telah berhasil diturunkan hingga 16 ppm di tundish. Namun, bahaya dari teknologi ini adalah gelembung beban inklusi yang melarikan diri dari tundish dan tertangkap dalam strand menyebabkan defect yang parah. Telah dilaporkan bahwa fraksi area oksida (0,001 %) baja di tundish menurun 25 % dengan teknik ini dibandingkan dengan yang tidak menggunakan teknik ini.
Transisi Pencetakan
Transisi pencetakan terjadi pada awal urutan pencetakan, selama pergantian cetakan dan pergantian nozzle, dan pada akhir pencetakan. Transisi ini bertanggung jawab atas mayoritas defect kebersihan. Inklusi sering terjadi selama transisi dan dapat bertahan lama, sehingga mencemari banyak baja. Indeks defect sliver di awal panas pertama ditemukan 5 kali lebih tinggi daripada di tengah panas pertama dan lebih dari 15 kali dari panas yang berikutnya. Selama periode pencetakan tidak stabil ini, penjerapan escak dan penyerapan udara lebih mungkin terjadi, yang menginduksi masalah reoksidasi. Sebuah cetakan 'self-opening' terbuka sendiri tanpa harus melancarkan nozzle. Lancaran perlu menghapus shroud dan ini memungkinkan reoksidasi terjadi, terutama selama 650 mm hingga 1.200 mm pertama dari pencetakan. Panas yang dilancarkan memiliki tingkat total oksigen yang sekitar 10 ppm lebih tinggi daripada panas self-opened. Pengemasan yang hati-hati dari pasir pembukaan cetakan membantu dalam mencapai self-opening dari cetakan. Pasir cetakan juga merupakan sumber reoksidasi karena kandungan silika yang tinggi.
Salah satu perbaikan selama transisi cetakan adalah menghentikan aliran cair ke dalam cetakan sampai tundish terisi dan membubungkan gas melalui stopper untuk mempromosikan terapungan inklusi. Perbaikan lain adalah membuka cetakan baru dengan shroud terendam. Dengan langkah ini, total oksigen telah menurun di salah satu pabrik baja dari 41 +/- 14 ppm hingga 31 +/- 16 ppm dengan kualitas yang lebih konsisten selama urutan.
Sebagai contoh, di salah satu pabrik baja, total oksigen di tundish selama transisi adalah 50 ppm hingga 70 ppm, dibandingkan hanya 25 ppm hingga 50 ppm pada keadaan stabil. Di pabrik baja lain, selisihnya hanya 3 ppm. Salah satu pabrik baja telah melaporkan transisi memiliki total oksigen hanya 19,2 ppm relatif terhadap 16 ppm pada keadaan stabil sementara pabrik baja lain telah melaporkan total oksigen 27 +/- 5 ppm selama transisi dan 24 +/- 5 ppm selama pencetakan stabil. Di pabrik baja lain, penyerapan nitrogen di tundish adalah 5 ppm hingga 12 ppm selama periode awal penuangan yang menurun hingga 0 ppm hingga 2 ppm setelah sekitar 12 menit penuangan (keadaan pencetakan stabil).
Dekat akhir penuangan sebuah cetakan, escak cetakan dapat masuk ke tundish, karena vortex yang terbentuk dalam baja cair dekat keluar cetakan. Fenomena ini memerlukan beberapa baja untuk tetap di cetakan saat penutupan (misalnya empat ton 'heel'). Selain itu, kedalaman tundish menurun setelah penutupan cetakan, yang mengganggu aliran tundish normal dan dapat menghasilkan vortex escak, penjerapan escak, dan peningkatan total oksigen di cetakan.
Shrouding, Perlindungan Argon, dan Pengedipan
Shrouding baja dari cetakan ke cetakan mencakup shrouding slide gate cetakan, nozzle kolektor cetakan, koneksi shroud cetakan, well block tundish, dan plate atas slide gate tundish. Variasi desain shroud sangat penting dalam operasi transfer baja cair dari tundish ke cetakan. Penggunaan sistem shrouding yang dioptimalkan sangat menurunkan reoksidasi selama operasi transfer. Sebagai contoh, penggunaan shroud cetakan telah menurunkan penyerapan nitrogen dari 24 ppm hingga 3 ppm relatif terhadap penuangan terbuka di salah satu pabrik baja. Di pabrik baja lain, pengganti pour box tundish dengan shroud cetakan dan dam telah menurunkan penyerapan nitrogen (cetakan ke tundish) dari 7,5 ppm hingga 4 ppm, dan juga telah menurunkan penjerapan escak selama transisi. Di pabrik baja lain, peningkatan sistem shroud dari cetakan ke tundish telah menurunkan penyerapan nitrogen dari 14 ppm hingga 3 ppm.
Shrouding aliran cetakan ke tundish di salah satu pabrik baja telah menurunkan kehilangan aluminium terlarut dari 130 ppm hingga 70 ppm dan telah menurunkan peningkatan total oksigen sebesar 12 ppm. Saat penuangan tanpa shroud, yang umum dalam pencetakan billet, turbulensi aliran pencetakan sangat penting. Aliran halus menangkap jauh lebih sedikit oksigen daripada aliran turbulen atau 'tyr'. Untuk produksi aliran halus antara tundish dan cetakan dalam operasi ini, tepi nozzle pengukuran harus dipelihara dan aliran kecepatan tinggi di tundish di sepanjang nozzle harus dihindari. Cover tundish pelindung dengan tepi yang dihati-hati juga membantu dalam menurunkan total oksigen dari 41,5 ppm hingga 38 ppm.
Berbagai sistem shrouding gas inerta sekarang tersedia. Total oksigen dalam produk cetakan (baja LCAK) dapat diturunkan dari 48,5 ppm hingga 28,5 ppm dengan shrouding antara cetakan dan tundish, dan hingga 23 ppm dengan shrouding ini ditambah sealing argon. Sangat penting untuk menyambungkan sambungan dalam shrouds dengan hati-hati, baik untuk meningkatkan kebersihan dan untuk mencegah penutupan. Peningkatan sistem bajonet antara nozzle cetakan dan shroud cetakan, menurunkan penyerapan nitrogen di sana dari 8 ppm hingga kurang dari 1 ppm. Peningkatan holder submerged entry nozzle (SEN) dan meningkatkan pemeliharannya telah menurunkan penyerapan nitrogen awal dari 1,8 ppm hingga 0,3 ppm di salah satu pabrik baja.
Gas inerta dapat melindungi baja dari reoksidasi udara dengan beberapa cara. Untuk mengatasi penyerapan udara di awal pencetakan, tundish dapat dibersihkan dengan gas inerta (untuk menggantikan udara) sebelum pembukaan cetakan, yang menurunkan baik total oksigen maupun penyerapan nitrogen selama startup. Injeksi argon untuk mengtekan shrouds dapat membantu mencegah baja cair dari reoksidasi udara melalui sambungan atau kebocoran apa pun. Pedoman untuk laju gas argon minimum untuk memastikan tekanan positif di dalam nozzle harus dibuat. Selain itu, membanjiri sambungan dengan gas argon memastikan bahwa setiap kebocoran menarik gas inerta dan bukan udara.
Penginjeksi argon ke dalam stopper rod tundish dan peningkatan sealing di satu pabrik baja telah menurunkan penyerapan nitrogen dari tundish ke produk cetakan dari 5 ppm hingga 1,8 ppm, telah menurunkan total oksigen dalam produk cetakan dari 31 ppm hingga 22 ppm, telah menurunkan ukuran klaster alumina dalam produk cetakan, dan telah menurunkan penutupan. Di tempat lain, injeksi argon melalui stopper rod menurunkan jumlah inklusi yang terdeteksi oleh metode Mannesmann inclusion detection by analysis surfboards (MIDAS) sebesar 25 % hingga 80 %. Penginjian purge gas argon melalui plate atas slide gate telah menurunkan jumlah inklusi ukuran 50 mikrometer hingga 100 mikrometer dari 3 per sentimeter persegi hingga 0,6 per sentimeter persegi, dan menurunkan inklusi makro ukuran 100 mikrometer hingga 200 mikrometer dari 1,4 per sentimeter persegi hingga 0,4 per sentimeter persegi.
Penutupan dan Teknik Baru di SEN
Nozzle adalah salah satu parameter kontrol yang relatif murah untuk diubah, namun memiliki pengaruh yang mendalam pada pola aliran dan oleh karena itu pada kualitas produk cetakan. Parameter nozzle meliputi ukuran bore, sudut dan ukuran port, tebal dinding nozzle, bentuk port (bundar, persegi, atau oval), jumlah port (bifurcated atau multiport), desain dasar nozzle (sumur, datar, atau berkemiringan), dan kedalaman penyelaman. Kedalaman penyelaman yang terlalu besar dan terlalu kecil meningkatkan masalah dengan retak longitudinal dan depresi transverse.
Salah satu studi telah menemukan kejadian korundum (Al2O3) yang melapisi permukaan bore nozzle yang digunakan untuk tuang ingot baja aluminium killed pada awal 1949. Studi lain telah menemukan bahwa penutupan nozzle terjadi dengan tingkat aluminium tinggi (0,0036 %) dan bahwa pemotongan bagian nozzle mengungkap pertumbuhan dendrit alumina dari dinding nozzle ke bore. Studi lain lagi telah mengamati penutupan aluminium, zircon, titanium, dan logam tanah langka.
Penutupan nozzle disebabkan oleh reoksidasi, atau oleh akumulasi oksida padat atau sulfida, seperti alumina dan sulfida kalsium (CaS) dalam baja. Selain mengganggu proses produksi, penutupan nozzle tundish / SEN merusak kebersihan baja untuk beberapa alasan yaitu (i) penutupan yang terlepas baik tertangkap dalam baja, atau mereka mengubah komposisi flux, yang mengarah pada defect dalam kedua kasus, (ii) penutupan mengubah pola aliran nozzle dan karakteristik jet yang keluar dari nozzle, yang mengganggu aliran di cetakan, mengarah pada penjerapan escak dan defect permukaan, dan (iii) penutupan mengganggu kontrol tingkat cetakan, karena perangkat kontrol aliran (stopper rod atau slide gate) mencoba mengkomensasi untuk penutupan.
Pengobatan untuk masalah penutupan nozzle termasuk meningkatkan kebersihan baja dengan meningkatkan praktik cetakan, menerapkan refractory halus dan tidak bereaksi, dan mengontrol aliran fluida melalui nozzle untuk memastikan pola aliran halus. Penggantian dari sistem slide gate tiga plate menjadi sistem stopper rod telah mengurangi penutupan di salah satu pabrik baja. Beberapa praktik dapat digunakan untuk meminimalkan penutupan. Selain mengambil tindakan umum untuk meminimalkan inklusi, penutupan melalui erosi refractory dapat diatasi dengan mengontrol komposisi refractory nozzle, (misalnya menghindari impurity natrium, kalium, dan silikon), atau melapis dinding nozzle dengan alumina murni, boron nitride, atau bahan tahan lainnya. Ada beberapa teknik baru di SEN yang telah dilaporkan untuk meningkatkan pola aliran fluida dan pengelolaan inklusi, seperti (i) teknik swirl-nozzle, (ii) teknik step nozzle, (iii) multi-ports nozzle, dan (iv) oval offset bore throttle plate.
Teknik Swirl-nozzle
Blade tetap yang ditempatkan di ujung hulu SEN menginduksikan aliran swirl di nozzle. Gaya sentrifugal yang dihasilkan oleh aliran swirl di nozzle dapat mendistribusikan baja cair secara merata ke kedua ujung keluarnya. Karena aliran baja cair dengan gaya sentrifugal memiliki kecepatan maksimum di dekat dinding dalam nozzle, cenderung keluar dari bagian atas ujung keluar. Oleh karena itu, distribusi kecepatan yang cenderung memiliki nilai lebih tinggi menuju bagian bawah ujung keluar dengan nozzle konvensional dapat menjadi seragam. Telah dilaporkan bahwa dengan menggunakan swirl nozzle ini untuk pencetakan terus, rasio defect produk akhir (coil) telah menurun hingga 25 % dari nozzle konvensional, dan kecepatan pencetakan telah naik 30 %. Biayanya hanya lebih tinggi 20 % dari biaya konvensional dan oleh karena itu lebih murah daripada menggunakan 'electro-magnetic brake'. Pola aliran swirl ini juga dapat dihasilkan oleh 'electro-magnetic stirring' di nozzle, yang juga dapat meningkatkan struktur penyekuan baja cetak.
Step nozzle
Pola aliran di out-ports SEN konvensional tidak merata atau bias karena slide gate SEN. Pola aliran bias ini (aliran swirl di out-ports SEN) meningkatkan impingement jet, dan oleh karena itu memburukkan pengelolaan inklusi ke permukaan atas. Dengan menggunakan inner annular steps, aliran bias di cetakan dapat dilemahkan. Perhitungan menunjukkan bahwa fraksi pengelolaan inklusi 50 mikrometer ke permukaan atas cetakan adalah 2 % dengan SEN konvensional, tetapi meningkat menjadi 7 % dengan penggunaan SEN berangga.
Oval offset bore throttle plate
Dalam sistem konvensional, gate throttling menghasilkan aliran yang sangat miring dan bias di saluran aliran tundish-ke-cetakan baik di hulu maupun di hilir gate. Efek ini telah secara signifikan mengurangi sistem offset bore. Desain gate offset mengekstrak fluida lebih pusat dari nozzle sumur tundish. Oleh karena itu, sistem ini kurang sensitif terhadap penumpukan apapun di dinding nozzle sumur, yang memperpanjang umur yang berguna dari nozzle sumur tundish dan oleh karena itu, memungkinkan urutan tundish yang lebih lama. Dalam praktik, juga telah ditemukan bahwa penutupan di dalam plate gate offset bore berkurang secara signifikan dibandingkan dengan gate konvensional.
Multiple out-ports
Diketahui bahwa kecepatan permukaan cetakan memiliki efek besar pada penjerapan escak dan fluktuasi permukaan atas. Beberapa defect terkait dengan kecepatan permukaan cetakan. Oleh karena itu, mengurangi kecepatan permukaan sangat penting untuk meningkatkan kebersihan baja. Tugas ini dapat ditargetkan dengan menggunakan multiple out-ports di SEN. Penambahan lubang bawah di SEN menurunkan momentum side jets sehingga mungkin untuk mendapatkan aliran baja yang baik dan kondisi meniskus bahkan di bawah throughput tinggi yang lebih stabil.
Cetakan dan Operasi Mesin Pencetakan Terus
Wilayah cetakan mesin pencetakan terus adalah tahap pemurnian terakhir di mana inklusi atau aman diangkut ke lapisan escak atas atau mereka tertangkap dalam cakungan yang menyeku untuk membentuk defect permanen dalam produk baja. Mcpherson telah menggunakan kata 'mould metallurgy' pada 1985 untuk menekankan pentingnya cetakan untuk meningkatkan kebersihan baja. Pola aliran cetakan sangat penting untuk menghindari defect karena mempengaruhi transportasi partikel dan pengelolaan ke escak atas atau penjerapan oleh cakungan yang menyeku.
Kontrol Permukaan Atas
Arahkan terlalu banyak aliran ke permukaan atas menghasilkan defect permukaan, karena transients, turbulensi di meniskus, dan masalah inklusi dari penjerapan escak. Namun, mengurangi aliran permukaan terlalu banyak juga dapat menghasilkan masalah. Ini mencakup defect permukaan karena wilayah meniskus menjadi terlalu stagnan, dan fraksi yang lebih tinggi dari partikel inklusi yang masuk dikirim ke dalam sebelum dapat diangkut ke escak. Oleh karena itu, keseimbangan harus ditemukan untuk mengoptimalkan parameter aliran untuk menghindari defect.
Sumber yang paling jelas dari defect permukaan adalah penangkapan partikel asing ke dalam cakungan yang menyeku di meniskus. Jika jet baja diarahkan terlalu dalam atau memiliki superheat yang terlalu sedikit, maka permukaan cairan sangat sedikit gerakan dan menjadi terlalu dingin. Ini dapat menyebabkan freezing dari meniskus baja, yang memburukkan pembentukan hook meniskus. Ini memungkinkan inklusi dan gelembung untuk tertangkap, yang terakhir membentuk lubang sempit tepat di bawah permukaan produk cetakan. Sebagai contoh, mengurangi kecepatan permukaan di bawah 0,4 meter/detik (m/s) telah diukur untuk meningkatkan defect lubang sempit permukaan. Untuk menghindari masalah ini, pola aliran harus dirancang untuk melebihi kecepatan minimum kritis di seluruh permukaan atas, yang diperkirakan sekitar 0,1 m/s hingga 0,2 m/s.
Penjerapan escak kurang mungkin dengan penyelaman nozzle yang lebih dalam dan kecepatan pencetakan yang lebih lambat. Untuk menghindari menggerayangi escak dengan cara ini, kecepatan permukaan harus dipertahankan di bawah nilai kritis. Kecepatan kritis ini telah diukur dalam model air - minyak sebagai fungsi dari viskositas dan parameter lain. Penjerapan lebih sulit untuk lapisan escak yang lebih dangkal, viskositas escak yang lebih tinggi, dan tegangan permukaan escak yang lebih tinggi.
Batas maksimum laju injeksi gas argon ke dalam nozzle telah dilaporkan sebagai fungsi dari kecepatan pencetakan, di luarnya penjerapan escak cetakan terjadi. Peningkatan kecepatan pencetakan cenderung meningkatkan fluktuasi turbulensi transient, dan memburukkan tingkat asimetri pola aliran. Ini pada gilirannya memburukkan turbulensi permukaan yang berdampak buruk dan fluktuasi tingkat. Peningkatan kebersihan internal seringkali perlu membatasi kecepatan pencetakan maksimum, untuk menghindari defect pencil pipe. Kecepatan pencetakan yang lebih rendah dan menghindari variasi kecepatan pencetakan keduanya mengurangi laju slivers. Lebih tepatnya, penting untuk menurunkan laju aliran massa cair untuk mengontrol kecepatan jet yang keluar dari nozzle.
Pola Aliran Fluida
Pola aliran cetakan dikontrol oleh parameter yang dapat disesuaikan seperti geometri nozzle, kedalaman penyelaman nozzle, laju injeksi gas argon, dan penerapan gaya elektromagnetik. Ini juga bergantung pada parameter yang biasanya tidak dapat disesuaikan untuk mengakomodasi pola aliran, seperti posisi perangkat kontrol aliran (slide gate atau stopper rod), penutupan nozzle, kecepatan pencetakan, lebar strand, dan ketebalan strand. Semua parameter ini bersama-sama membentuk sistem yang harus dirancang untuk menghasilkan pola aliran optimal untuk operasi tertentu.
Gelembung, yang diinjeksikan ke dalam nozzle dan cetakan, memiliki lima efek terkait dengan kontrol kualitas baja. Efek ini adalah (i) membantu mengurangi penutupan nozzle, (ii) membantu mempengaruhi dan mengontrol pola aliran di cetakan, (iii) menghasilkan fluktuasi permukaan atas yang serius bahkan emulifikasi jika laju aliran gas terlalu besar, (iv) menangkap inklusi saat mereka mengalir dalam baja cair, dan (v) gelembung yang tertangkap partikel oksida padat yang tertangkap oleh cakungan yang menyeku pada akhirnya mengarah pada sliver permukaan atau defect internal.
Biasanya, aliran gas rendah cenderung menghasilkan pola aliran double-roll, sementara aliran argon yang tinggi menginduksi aliran single-roll. Fenomena ini telah dipelajari sejak 1983. Untuk mempertahankan pola aliran double-roll yang stabil, yang seringkali optimal, argon harus dipertahankan dengan aman di bawah tingkat kritis. Injeksi argon berlebihan dapat menghasilkan variasi transient dari jet yang memasuki cetakan, memperkenalkan asimetri di ruang cetakan, dan meningkatkan turbulensi permukaan. Gelembung gas argon juga dapat tertangkap dalam cakungan baja yang menyeku untuk membentuk defect bintik, seperti pencil pipe dalam produk akhir.
Telah diamati bahwa penjerapan inklusi bervariasi dari satu sisi ke sisi lainnya, yang menunjukkan hubungan dengan variasi dalam struktur aliran transient dari zona sirkulasi bawah, dan pola aliran asimetris (Gambar 3), yang dapat diinduksi oleh penutupan nozzle, oleh turbulensi, dan oleh injeksi gas argon berlebihan. Sangat penting untuk menjaga tingkat baja cair di cetakan tetap konstan, laju pakan bubuk, kecepatan pencetakan, laju injeksi gas, pembukaan slide gate, dan posisi nozzle (penyelarasan dan penyelaman).
Gaya elektromagnetik dapat diterapkan ke dalam baja cair dengan sejumlah cara untuk mengubah secara signifikan pola aliran dalam strand. Telah dilaporkan bahwa pengacauan elektromagnetik strand luar dapat meningkatkan kebersihan baja, menurunkan total oksigen dalam produk cetakan dari 30 ppm hingga 20 ppm. Contoh lain adalah electro-magnetic brake (EMBR), yang membengkokkan jet dan memendahkan kedalaman impingementnya, untuk mengurangi kemungkinan penangkapan oleh cakungan yang menyeku dalam strand.
Gambar 3 Faktor yang mempengaruhi inklusi dalam baja cetak
Kurvasi Mesin Pencetakan
Mesin pencetakan terus dengan cetakan lengkung diketahui menangkap lebih banyak partikel dibandingkan mesin pencetakan terus dengan cetakan lurus (vertikal) (Gambar 3), karena partikel secara bertahap bergerak ke atas menuju radius dalam sambil berputar dengan cairan dalam zona sirkulasi bawah. Mayoritas partikel tertangkap 1 m hingga 3 m di bawah meniskus, terlepas dari kecepatan pencetakan, yang sesuai dengan jarak tertentu melalui ketebalan strand. Seringkali, inklusi terkonsentrasi di permukaan dan sekelapan hingga satu perempat ketebalan dari atas permukaan radius dalam. Mesin pencetakan bengkok vertikal memiliki inklusi dan lubang sempit yang lebih sedikit, yang didistribusikan lebih dalam, relatif terhadap mesin pencetakan lengkung. Defect penjerapan partikel seperti pencil pipe dapat diminimalkan jika setidaknya bagian atas 2,5 m mesin pencetakan lurus (vertikal).
Metode Deteksi Inklusi
Jumlah, distribusi ukuran, bentuk, dan komposisi inklusi harus diukur pada semua tahap produksi baja. Teknik pengukuran berkisar dari metode langsung, yang akurat namun mahal, hingga metode tidak langsung, yang cepat dan murah, namun hanya dapat diandalkan sebagai indikator relatif. Metode deteksi inklusi terkadang dibagi menjadi dua kategori yaitu (i) metode off-line, dan (ii) metode online.
Metode Langsung
Ada beberapa metode langsung untuk mengevaluasi kebersihan baja. Metode ini dijelaskan di bawah ini.
Evaluasi Inklusi pada Bagian Baja Padat
Beberapa metode tradisional secara langsung mengevaluasi inklusi pada bagian dua dimensi melalui sampel produk yang telah menyeku. Lima metode terakhir yang dijelaskan di bawah ini menambahkan kemampuan untuk mengukur komposisi inklusi.
Observasi Mikroskop Metalografi (MMO) – Metode MMO hanya dapat mengungkap bagian dua dimensi dari inklusi meskipun inklusi bersifat tiga dimensi.
Analisis Citra (IA) – Peningkatan ini terhadap MMO memperbaiki evaluasi mata dengan menggunakan evaluasi komputer berkecepatan tinggi pada citra mikroskop yang discan video untuk membedakan daerah gelap dan terang berdasarkan batas skala abu-abu.
Sulfur print – Ini adalah metode makrografik populer dan murah yang membedakan inklusi makro dan retak dengan mematikan daerah kaya sulfur. Ini memiliki masalah yang sama seperti metode dua dimensi lainnya.
Scanning electron microscopy (SEM) – Metode ini secara jelas mengungkap morfologi tiga dimensi dan komposisi setiap inklusi. Komposisi juga dapat diukur dengan 'electron probe micro analyzer' (EPMA). Namun, persiapan sampel yang luas diperlukan untuk menemukan dan Mengekspos inklusi(s).
Optical emission spectrometry with pulse discrimination analysis (OES-PDA) – Metode optical emission spectrometry (OES) menganalisis elemen yang terlarut dalam baja cair. Inklusi menyebabkan puncak sorotan tinggi intensitas (relatif terhadap sinyal latar dari elemen yang terlarut), yang dihitung untuk memberikan indeks PDA (pulse discrimination analysis).
Laser micro-probe mass spectrometry (LAMMS) – Dalam metode ini, partikel individu disinari oleh sinar laser dipulsa, dan intensitas laser terendah di atas nilai ambang ionisasi dipilih untuk pola spektrum karakteristiknya karena keadaan kimianya. Puncak dalam spektrum LAMMS dikaitkan dengan elemen, berdasarkan perbandingan dengan hasil sampel referensi.
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) – Metode ini menggunakan sinar x untuk memetakan keadaan kimia inklusi individu yang lebih besar dari 10 mikrometer.
Auger electron spectroscopy (AES) – Metode ini menggunakan sinar elektron untuk memetakan komposisi area kecil di dekat permukaan sampel datar.
Cathodoluminescence microscope – Di bawah mikroskop, bagian sampel baja atau liningディ dipicu oleh sinar katoda (sinar elektron energik), untuk menginduksi cathodoluminescence (CL). Warna CL tergantung pada jenis ion logam, medan listrik, dan stres, yang memungkinkan inklusi untuk dideteksi.
Evaluasi Inklusi Matriks Baja Tiga Dimensi
Beberapa metode secara langsung mengukur inklusi dalam matriks baja tiga dimensi. Keempat metode pertama ini memindai sampel dengan ultrasound atau sinar x. Keempat metode volumetrik terakhir ini pertama memisahkan inklusi dari baja.
Conventional ultrasonic scanning (CUS) – Dalam metode ini, transduser (biasanya piezoelektrik) memancarkan gelombang tekanan suara yang ditransfer ke dalam sampel dengan bantuan gel kopling. Gelombang suara merambat melalui sampel,Reflektif di dinding belakang dan kembali ke transduser. Magnitudo pulso input awal dan sinyal yang dipantulkan dibandingkan pada osiloskop untuk menunjukkan kualitas internal sampel. Benda yang menghalangi di jalur gelombang suara menyebarkan energi gelombang. Metode non-destruktif ini mendeteksi dan menghitung inklusi yang lebih besar dari 20 mikrometer dalam sampel baja yang telah menyeku.
Mannesmann inclusion detection by analysis surfboards (MIDAS) – Dalam metode MIDAS sampel baja pertama kali diluluhkan untuk mengurangi porositas dan kemudian di scan secara ultrasonik untuk mendeteksi baik inklusi padat maupun inklusi padat gabungan / pori gas. Metode ini sekarang telah diubah namanya menjadi 'liquid sampling hot processing' (LSHP) method.
Scanning acoustic Microscope (SAM) – Dalam metode ini, volume berbentuk kerucut dari produk cetak terus di scan dengan detektor berputar, seperti sistem ultrasonik padat, yang secara otomatis mendeteksi inklusi di setiap lokasi di area permukaan sampel, termasuk dari permukaan hingga garis tengah produk.
X-ray detection – Dengan metode ini, citra inklusi terdeteksi karena mereka menyebabkan variasi dalam attenuasi sinar x yang ditransmisikan melalui baja padat. Distribusi inklusi dapat dibangun dengan membagi sampel menjadi beberapa wafel dan menyetapkan masing-masing kepada sinar x konvensional untuk mencetak penetrameter radiogragh untuk analisis citra.
Chemical dissolution (CD) – Dalam metode CD, asam digunakan untuk melarutkan baja dan secara sebagian mengekstrak inklusi. Morfologi dan komposisi inklusi dapat terdeteksi oleh metode lain seperti SEM, atau diekstrak sepenuhnya dengan melarutkan sampel baja lengkap. Sifat tiga dimensi inklusi dapat diungkapkan oleh metode ini. Kelemahannya adalah asam melarutkan FeO, MnO, CaO, dan MgO dalam inklusi. Oleh karena itu, metode ini baik untuk mendeteksi hanya inklusi alumina dan silika.
Slime (electrolysis) technique – Metode ini juga disebut 'potentiostatic dissolution technique'. Sampel baja yang relatif besar (200 gram hingga 2 kilogram) dilarutkan dengan menerapkan arus listrik melalui sampel baja yang direndam dalam larutan klorida besi atau sulfat besi. Metode ini digunakan untuk mengungkap inklusi individual yang utuh. Satu kelemahan metode ini adalah inklusi klaster mungkin pecah menjadi partikel terpisah setelah diekstrak dari baja.
Electron beam (EB) melting – Dalam metode ini, sampel baja aluminium killed dilarutkan oleh sinar elektron di bawah vakum. Inklusi terapung ke permukaan atas dan membentuk rakit di atas sampel cair. Indeks EB normal adalah luas area spesifik rakit inklusi. Metode yang ditingkatkan (EB-EV – 'extreme value') telah dikembangkan untuk memperkirakan distribusi ukuran inklusi.
Cold crucible (CC) melting – Inklusi pertama kali terkonsentrasi di permukaan sampel yang dilelehkan seperti dalam pencairan EB. Setelah pendinginan, permukaan sampel kemudian dilarutkan, dan inklusi difilter dari zat pelarut. Metode ini memperbaiki pencairan EB dengan melelehkan sampel yang lebih besar dan mampu mendeteksi silika.
Fractional thermal decomposition (FTD) – Ketika suhu sampel baja melebihi titik lelehnya, inklusi dapat terungkap di permukaan cair dan terdekomposisi. Inklusi dari berbagai oksida direduksi secara selektif pada suhu yang berbeda, seperti oksida berbasis alumina pada 1.400 derajat C atau 1.600 derajat C, atau inklusi refractory pada 1.900 derajat C. Total kandungan oksigen adalah jumlah kandungan oksigen yang diukur pada setiap tahap pemanasan.
Magnetic particle inspection (MPI) – Metode ini juga disebut magnetic leakage field inspection dapat menemukan inklusi yang lebih besar dari 30 mikrometer dalam produk lembar baja. Prosedur tes terdiri dari menghasilkan medan homogen dalam lembar baja yang sejajar dengan permukaan lembar. Jika ketidakteraturan (seperti inklusi atau pori) ada, perbedaan kepekaan magnetik memaksa medan flux magnetik untuk membengkok dan meluas di luar permukaan lembar. Kelemahan utama metode ini adalah resolusi yang buruk untuk inklusi yang berada berdekatan.
Distribusi Ukuran Inklusi setelah Ekstraksi Inklusi
Beberapa metode dapat menemukan distribusi ukuran inklusi tiga dimensi setelah inklusi diekstrak dari baja menggunakan metode yang sesuai yang dijelaskan sebelumnya.
Coulter counter analysis – dalam metode ini, partikel yang mengalir ke dalam sensor melalui lubang kecilnya terdeteksi karena mereka mengubah konduktivitas listrik di seluruh celah. Metode ini mengukur distribusi ukuran inklusi yang diekstrak oleh slime dan tersuspensi dalam air.
Photo scattering method – Sinyal pencitraan inklusi (yang telah diekstrak dari sampel baja menggunakan metode lain seperti slime, dianalisis untuk mengevaluasi distribusi ukuran.
Laser diffraction particle size analyzer (LDPSA) – Teknik laser ini dapat mengevaluasi distribusi ukuran inklusi yang telah diekstrak dari sampel baja menggunakan metode lain seperti slime.
Evaluasi Inklusi Baja Cair
Ada beberapa pendekatan yang dapat digunakan untuk mendeteksi jumlah inklusi dan distribusi ukuran dalam baja cair.
Ultrasonic techniques for liquid system – Metode ini menangkap pantulan dari pulse ultrasonik untuk mendeteksi inklusi secara online dalam baja cair.
Liquid metal cleanliness analyzer (LIMCA) – Sensor online ini menggunakan prinsip 'Coulter counter' untuk mendeteksi inklusi secara langsung dalam baja cair. Metode ini biasanya digunakan untuk aluminium dan logam lain, dan masih dalam tahap pengembangan untuk baja.
Confocal scanning laser microscope – Metode in-situ baru ini dapat mengamati perilaku inklusi individu yang bergerak di permukaan baja cair, termasuk inti, tabrakan, agregasi, dan mendorong oleh interface. Proses klasterisasi inklusi alumina yang terdeteksi di permukaan cair dengan metode ini ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4 Proses klasterisasi inklusi alumina di permukaan baja cair
Electromagnetic visualization (EV) – Sistem deteksi berbasis gaya Lorentz ini digunakan untuk mempercepat inklusi ke permukaan bebas atas dari sampel logam cair dan fluida opak yang sangat konduktif. Teknik ini memiliki resolusi yang lebih baik dari metode online lainnya.
Metode Tidak Langsung
Karena biaya, persyaratan waktu, dan kesulitan pengambilan sampel dari pengukuran inklusi langsung, kebersihan baja biasanya diukur di pabrik baja menggunakan total oksigen, penyerapan nitrogen, dan metode tidak langsung lainnya.
Pengukuran total oksigen – Total oksigen dalam baja adalah jumlah oksigen bebas (oksigen terlarut) dan oksigen yang bergabung sebagai inklusi. Oksigen bebas atau 'aktif' dapat diukur dengan relatif mudah menggunakan sensor oksigen. Ini dikontrol terutama oleh termodinamika kesetimbangan dengan elemen deoksidasi, seperti aluminium. Karena oksigen bebas tidak bervariasi banyak, misalnya, 3 ppm hingga 5 ppm pada 1.600 derajat C untuk baja aluminium killed. Total oksigen adalah indikator tidak langsung yang wajar dari jumlah total inklusi oksida dalam baja karena ada populasi kecil inklusi besar dalam sampel baja. Oleh karena itu, kandungan total oksigen sebenarnya hanya mewakili tingkat inklusi oksida kecil. Total oksigen yang diukur dari sampel cair berkaitan secara kasar dengan insiden sliver dalam produk. Khususnya, sampel tundish biasanya diambil untuk menunjukkan kebersihan bagi pengaturan baja cetakan.
Salah satu pabrik baja memerlukan total oksigen dalam sampel tundish kurang dari 30 ppm untuk memastikan pengiriman lembar baja dingin diluluhkan tanpa inspeksi khusus. Kesimpulan umum yang ditarik dari data tingkat total oksigen dalam baja LCAK pada setiap tahap proses di beberapa pabrik baja adalah (i) total oksigen dalam baja LCAK telah terus menurun seiring bertambahnya tahun, seiring penerapan teknologi baru, (ii) pabrik dengan unit degassing RH (Rurhstahl Heraeus) mencapai total oksigen lebih rendah (10 ppm hingga 30 ppm) dibandingkan pabrik dengan pengacauan gas cetakan (35 ppm hingga 45 ppm), dan (iii) total oksigen biasanya menurun setelah setiap tahap proses seperti 40 ppm di cetakan, 25 ppm di tundish, 20 ppm di cetakan, dan 15 ppm di produk cetakan. Gambar 5 menunjukkan hubungan antara total oksigen di tundish dan indeks defect sliver.
Gambar 5 Hubungan antara total oksigen di tundish dan indeks defect sliver untuk produk dan antara penyerapan nitrogen dan total oksigen
Penyerapan nitrogen – Perbedaan kandungan nitrogen antara wadah pembuatan baja adalah indikator udara yang ditangkap selama operasi transfer. Oleh karena itu, penyerapan nitrogen berfungsi sebagai indikator tidak langsung kasar dari total oksigen, kebersihan baja, dan masalah kualitas dari inklusi reoksidasi. Sebagai contoh, satu pabrik baja membatasi penyerapan nitrogen dari cetakan ke tundish kurang dari 10 ppm untuk aplikasi baja bersih kritis. Pengambilan oksigen selalu banyak kali lebih tinggi daripada penyerapan nitrogen yang diukur, karena laju penyerapan yang lebih cepat pada interface udara baja. Gambar 3 menunjukkan hubungan antara penyerapan nitrogen dan total oksigen. Selain itu, penyerapan nitrogen lebih cepat ketika kandungan oksigen dan sulfur rendah. Oleh karena itu, untuk pengurangan penyerapan nitrogen, deoksidasi paling baik dilakukan setelah tapping. Pengukuran pabrik mengonfirmasi ini, karena penyerapan nitrogen berkurang dari 10 ppm hingga 20 ppm untuk deoksidasi selama tapping hingga 5 ppm setelah tapping.
Kesimpulan umum yang ditarik dari data penyerapan nitrogen minimum dan kandungan nitrogen yang diukur dalam baja LCAK pada setiap tahap proses (kecuali tundish dan cetakan) untuk beberapa pabrik baja adalah bahwa nitrogen dalam produk cetak baja LCAK sekitar 30 ppm hingga 40 ppm di mayoritas pabrik baja. Ini dikontrol terutama oleh operasi konverter pembuatan baja atau listrik panas, tetapi juga dipengaruhi oleh operasi pembuatan baja sekunder dan shrouding. Namun, penyerapan nitrogen menurun seiring bertambahnya tahun, karena teknologi baru dan operasi yang ditingkatkan. Penyerapan nitrogen biasanya dapat dikontrol pada 1 ppm hingga 3 ppm dari cetakan hingga cetakan. Dengan operasi transfer yang optimal untuk mengurangi penyerapan udara, penyerapan ini dapat diturunkan selama pencetakan keadaan stabil menjadi kurang dari 1 ppm.
Pengukuran konsentrasi – Untuk baja LCAK, kehilangan aluminium yang terlarut juga menunjukkan bahwa reoksidasi telah terjadi. Namun, indikator ini kurang akurat daripada penyerapan nitrogen karena aluminium juga dapat dioksidasi oleh escak. Pengambilan silikon, pengambilan mangan juga dapat digunakan untuk mengevaluasi proses reoksidasi.
Observasi lining refractory – Analisis evolusi komposisi lining refractory sebelum dan setelah operasi dapat digunakan untuk memperkirakan penyerapan inklusi ke lining dan erosi lining. Juga, asal dari inklusi oksida kompleks dapat ditelusuri ke erosi lining refractory dengan mencocokkan fraksi mineral dan elemen dalam escak dengan komposisi inklusi.
Pengukuran komposisi escak – Analisis evolusi komposisi escak sebelum dan setelah operasi dapat ditafsirkan untuk memperkirakan penyerapan inklusi ke escak. Juga, asal dari inklusi oksida kompleks dapat ditelusuri ke penjerapan escak dengan mencocokkan fraksi mineral dan elemen dalam escak dengan komposisi inklusi. Namun, metode ini tidak mudah karena kesulitan pengambilan sampel dan karena perubahan dalam kesetimbangan termodinamika harus dipertimbangkan.
Studi tracer untuk menentukan inklusi eksogen dari erosi escak dan lining – Oksida tracer dapat ditambahkan ke escak dan lining di cetakan, tundish, cetakan, atau trumpet ingot, dan top compound. Inklusi tipikal dalam baja kemudian dianalisis oleh SEM dan metode lain. Jika oksida tracer ditemukan dalam inklusi ini, maka sumber inklusi ini dapat ditetapkan.
Penutupan submerged entry nozzle (SEN) – Umur SEN yang pendek karena penutupan kadang-kadang menjadi indikator kebersihan baja yang buruk. Komposisi penutupan tipikal selama pencetakan terus baja LCAK terdiri dari Al2O3- 51,7 %, Fe – 44 %, MnO – 2,3 %, SiO2 – 1,4 %, dan CaO – 0,6 %, yang menunjukkan bahwa penutupan nozzle seringkali disebabkan oleh penumpukan bersamaan inklusi alumina kecil dan baja beku. Oleh karena itu, frekuensi penutupan SEN adalah metode kasar lain untuk mengevaluasi kebersihan baja.
Tes produk akhir
Ukuran akhir dari kebersihan adalah menggunakan tes mekanik destruktif untuk mengukur properti formabilitas, deep-drawing, dan / atau bending dari lembar produk akhir, atau umur fatigue dari sampel tes atau sampel produk. Tes lembar baja lain termasuk tes HIC dan magnetoscopy. Contoh lain adalah metode inspeksi inklusi dalam tes fatigue ultrasonik. Tes ini diperlukan untuk mengungkap fakta seperti manfaat potensial dari inklusi yang sangat kecil (kurang dari 1 mikrometer), yang tidak boleh dihitung terhadap kebersihan.
Dapat dilihat dari di atas bahwa tidak ada satu metode ideal untuk mengevaluasi kebersihan baja. Beberapa metode lebih baik untuk pemantauan kualitas sementara yang lainnya lebih baik untuk penyidikan masalah. Oleh karena itu, perlu menggabungkan beberapa metode bersama-sama untuk memberikan evaluasi yang lebih akurat dari kebersihan baja dalam operasi tertentu.
Karena inklusi eksogen dapat berasal dari kombinasi beberapa sumber, metode untuk pencegahannya tidak mungkin sederhana. Hanya melalui kombinasi yang benar dari semua sumber ini dan mekanisme pengelolaan yang insiden inklusi besar dalam baja dapat dikurangi. Untuk deteksi inklusi eksogen dalam baja, metode yang cocok adalah scan ultrasonik, observasi mikroskop, sulfur print, slime (elektrolisis), X-ray, SEM, analisis komposisi escak, dan observasi refractory.
