Peleburan Khusus: Semua yang Perlu Anda Ketahui

1. Pendahuluan

1.1 Pengembangan Peleburan Khusus

Peleburan khusus adalah metode khusus dan efektif untuk memproduksi baja khusus, paduan suhu tinggi, paduan presisi, dan baja paduan tinggi.

Bahan logam yang diwakili oleh baja telah banyak digunakan dalam perekonomian nasional, konstruksi pertahanan nasional, bidang ilmiah dan teknologi, dll.

Kemajuan pesat dalam teknologi elektronik kontemporer, teknologi kedirgantaraan, teknologi navigasi dan energi, serta bidang-bidang lainnya telah meningkatkan persyaratan yang semakin tinggi untuk kualitas dan variasi baja dan paduannya.

 Sebagai contoh, baja atau paduannya harus dapat bekerja dengan andal di bawah lingkungan dengan suhu tinggi, tekanan tinggi, kecepatan tinggi, beban dinamis, radiasi tinggi, dan media yang sangat korosif.

Namun, metode peleburan konvensional seperti konverter, tungku perapian terbuka, dan tungku busur sulit untuk memenuhi persyaratan aktual, dan tidak dapat menghasilkan produk dengan kualitas tinggi, sehingga memerlukan penggunaan metode peleburan khusus.

Metode peleburan khusus yang umum meliputi peleburan induksi, metalurgi elektro terak, busur plasma peleburan, peleburan busur vakum, dan proses peleburan berkas elektron.

(1) Peleburan Induksi

Peleburan induksi adalah metode pemanasan dan peleburan logam dengan menggunakan prinsip induksi elektromagnetik.

Menurut frekuensi, itu dapat dibagi menjadi tungku frekuensi daya, tungku frekuensi menengah, dan tungku frekuensi tinggi; menurut atmosfer dan struktur, dapat diklasifikasikan ke dalam tungku induksi vakum dan tungku induksi plasma dan tungku lainnya untuk tujuan yang berbeda.

Tungku frekuensi daya terutama digunakan untuk peleburan besi tuang, tungku frekuensi tinggi terutama digunakan untuk penelitian laboratorium, sedangkan tungku frekuensi menengah terutama digunakan untuk memproduksi baja dan paduan berkualitas tinggi, dengan keunggulan kecepatan peleburan yang cepat, efisiensi produksi yang tinggi, kemampuan beradaptasi yang kuat, penggunaan yang fleksibel, efek pengadukan elektromagnetik yang baik, dan operasi penyalaan yang nyaman.

Saat ini, peleburan tungku induksi telah menjadi metode penting untuk memproduksi paduan khusus seperti baja khusus, paduan presisi, paduan pemanas listrik, paduan suhu tinggi, dan paduan tahan korosi.

(2) Metalurgi Elektro-terak

Elektro-slag metalurgi adalah metode peleburan khusus yang menggunakan panas yang dihasilkan oleh hambatan terak yang disebabkan oleh arus yang melewati terak cair untuk memanaskan dan memurnikan logam.

Intinya adalah electro-slag remelting (ESR), yang bertujuan untuk memurnikan baja dan paduan lebih lanjut serta memperbaiki struktur kristal ingot berdasarkan pemurnian awal, sehingga memperoleh produk logam berkualitas tinggi.

Peleburan ulang terak elektro cocok untuk produksi tempa sedang dan besar. Produk setelah peleburan ulang memiliki kandungan fosfor dan sulfur yang rendah, rendah non-logam inklusi, struktur padat dari ingot yang dilebur kembali dan pengecoran tanpa penyusutan, sangat meningkatkan kualitas produk, serta sifat mekanik, kinerja pemrosesan, dan kegunaannya.

(3) Peleburan Busur Vakum

Peleburan busur vakum dapat membentuk potensi oksigen yang rendah dan kondisi peleburan suhu tinggi, sehingga digunakan pada awal abad terakhir untuk melebur logam tahan api atau logam yang dapat dioksidasi seperti platina, tantalum, dan tungsten.

Dengan perkembangan industri mekanik, metode peleburan ulang busur elektroda yang dapat dikonsumsi secara vakum telah berhasil diterapkan pada produksi titanium dan paduannya, paduan presisi, paduan suhu tinggi, dan logam tahan api.

Metode peleburan ini berkembang pesat pada tahun 1940-an dan 1950-an, dengan kapasitas yang semakin besar. Hingga saat ini, dalam peleburan khusus, peleburan busur vakum masih menjadi salah satu metode utama untuk peleburan ulang dan pemurnian.

(4) Peleburan berkas elektron

Electron-beam remelting (EBM) adalah metode peleburan yang menggunakan senapan elektron untuk memancarkan berkas elektron berkecepatan tinggi sebagai sumber panas untuk melelehkan logam dalam kondisi vakum tinggi.

Dimulai dengan peleburan logam tahan api (tantalum, niobium, hafnium, tungsten, molibdenum, dll.) dan sekarang telah berkembang menjadi produksi bahan semikonduktor, paduan magnetik berkinerja tinggi, dan beberapa baja khusus seperti baja bantalantahan karat, baja tahan karat tahan korosi, dan besi murni berkarbon sangat rendah.

Selain itu, tungku peleburan berkas elektron juga dapat digunakan untuk peleburan paduan tahan panas tertentu, terutama paduan yang mengandung tungsten dan molibdenum dengan niobium atau tantalum sebagai komponen utama.

(5) Peleburan Busur Plasma

Peleburan plasma adalah metode peleburan baru yang menggunakan busur plasma sebagai sumber panas untuk melebur, memurnikan, dan melebur kembali logam.

Keuntungan potensial menggunakan busur plasma sebagai sumber panas metalurgi adalah: energi terkonsentrasi, suhu tinggi (5.000-300.000 K), laju aliran ion yang cepat (100-500 m/s), pemanasan yang cepat dan reaksi yang cepat, dll. Gas dalam keadaan terionisasi, dan aktivitas reaksinya kuat.

Gas dapat dipilih sesuai dengan kebutuhan, seperti menggunakan gas pereduksi (hidrogen, karbon monoksida, alkana, dan alkena, dll.) untuk secara langsung mengurangi atau memurnikan muatan, dan juga dapat melakukan deoksidasi untuk membuat ingot bebas dari produk sisa deoksidasi.

Di bawah aksi busur plasma suhu tinggi, pengotor seperti S, P, Pb, Bi, Sn, dan As mudah menguap. Itu bisa meleleh bahan logam dan juga melelehkan bahan non-logam.

1.2 Produk Utama yang Dihasilkan oleh Pabrik Peleburan Khusus

Peleburan khusus adalah metode khusus dan efektif untuk memproduksi paduan canggih seperti baja khusus, paduan suhu tinggi, paduan presisi, baja paduan tinggi, logam tahan api, dan paduan, titanium dan paduan titanium, paduan pemanas listrik, dll.

(1) Paduan Presisi, sejenis logam dan paduan dengan sifat fisik khusus, terutama digunakan untuk membuat material penting seperti instrumen presisi, kontrol, telemetri, peralatan listrik, aksesori, dan perangkat elektronik di ruang angkasa, serta sensor dan transduser pada sistem senjata, berdasarkan sifat fisiknya daripada komponen struktural.

Di Tiongkok, huruf "J" digunakan sebelum angka untuk menunjukkan kategori paduannya; misalnya, "1J" mewakili paduan magnetik lunak, "2J" mewakili paduan magnetik permanen, "3J" mewakili paduan elastis, "4J" mewakili paduan ekspansi termal, "5J" mewakili bimetal termal, dan "6J" mewakili paduan resistansi.

(2) Paduan suhu tinggi (paduan tahan suhu tinggi atau superalloy tahan panas) adalah penting bahan logam untuk turbin gas penerbangan, turbin gas kapal, dan mesin roket. Memiliki ketahanan yang lebih tinggi terhadap deformasi mulur dan fraktur mulur, serta ketahanan terhadap korosi dan guncangan termal.

1.3 Indikator Evaluasi Kualitas untuk Peleburan Baja dan Paduan

(1) Kontrol Komponen:

Selain mengontrol C, Mn, Si, P, S, yang biasanya dikontrol dalam produksi baja, kontrol komponen juga mencakup kontrol elemen paduan seperti Cr, Ni, Mo, W, Nb, V, Al, Ti, dan elemen jejak B, Ce, La, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, Sm. Apakah komposisi tersebut dapat dikontrol secara optimal sangat bergantung pada proses peleburan.

(2) Kemurnian:

Kemurnian baja dan paduannya mengacu pada jumlah kotoran dan kandungan gas yang berbahaya, terutama mencakup aspek-aspek berikut.

1. Kotoran non-logam

Pengotor non-logam biasanya mengacu pada S, P, Ce, Br, I, dll. Mutu baja yang berbeda memiliki persyaratan yang berbeda untuk kandungan S dan P.

Misalnya, untuk baja biasa, w (S) ≤ 0,055%, w (P) ≤ 0,045%; untuk baja berkualitas tinggi, w (S) ≤ 0,045%, w (P) ≤ 0,040%; untuk baja paduanbaik S maupun P kurang dari 0,04%; untuk baja berkualitas tinggi tingkat lanjut, w (S) ≤ 0,030%, w (P) ≤ 0,035%; sedangkan untuk beberapa paduan suhu tinggi, w (S) ≤ 0,030%.

Untuk Ce, Br, I, dll., beberapa standar teknis menetapkan bahwa mereka harus lebih rendah dari 0,0025%.

2. Gas

Umumnya, semakin rendah kandungan oksigen, hidrogen, dan nitrogen dalam baja dan paduannya, semakin baik kinerjanya.

3. Inklusi non-logam

Pengaruh inklusi non-logam terhadap kinerja baja dan paduan tidak hanya terkait dengan kuantitasnya, tetapi juga jenis, ukuran, morfologi, dan distribusinya.

Oleh karena itu, status kandungan dan distribusi inklusi non-logam merupakan salah satu indikator penting untuk mengevaluasi kualitas baja dan paduannya, dan pemeriksaan konvensional menggunakan metode perbandingan grade standar.

4. Kotoran logam

Pengotor logam terutama mengacu pada Pb, Sn, As, Sb, Bi, dan pengotor elemen jejak lainnya dalam baja dan paduan. Kandungan pengotor logam memiliki dampak yang signifikan terhadap kinerja baja dan paduannya.

5. Struktur cor

Struktur cor dari baja dan ingot paduan memiliki pengaruh penting pada plastisitas kerja panas dari ingot dan sifat mekanik baja.

Struktur cor produk metalurgi yang baik harus memiliki kondisi sebagai berikut: spesifikasi memenuhi persyaratan; kualitas permukaannya bagus; penyusutannya kecil; ingotnya padat; komposisi dan struktur organisasinya seragam, tingkat pemisahannya kecil; struktur kristalnya bagus.

1.4 Pengaruh Proses terhadap Struktur Mikro dan Sifat Baja dan Paduan

(1) Kontrol komponen mempengaruhi kinerja baja dan paduannya.

Metode peleburan yang berbeda memiliki tingkat kontrol komponen yang berbeda, dengan tungku busur vakum lebih baik dalam mengontrol elemen yang mudah teroksidasi dan peleburan ulang electroslag yang lebih sedikit kehilangan elemen yang mudah menguap.

(2) Kemurnian mempengaruhi kinerja baja dan paduannya.

Peleburan vakum memiliki kandungan pengotor logam berbahaya dan oksigen yang rendah, dan peleburan ulang electroslag memiliki kemampuan desulfurisasi yang baik dan menghilangkan inklusi oksida.

(3) Mengontrol struktur mikro mempengaruhi kinerja baja dan paduannya.

Ingot peleburan ulang electroslag memiliki pengembangan sumbu kristal berbentuk kolom dan segregasi porositas yang rendah.

2. Peleburan Tungku Induksi

2.1 Prinsip Kerja dan Peralatan Tungku Induksi

2.1.1 Prinsip Kerja Tungku Induksi

Semua jenis tungku induksi, terlepas dari apakah itu inti atau tanpa inti, serta apakah mereka beroperasi pada frekuensi rendah, frekuensi menengah, atau frekuensi tinggi, sirkuit dasarnya terdiri dari catu daya variabel, kapasitor, koil induksi, dan bahan tungku logam dalam wadah (Gambar 2-1).

(1) Prinsip Pemanasan Induksi

Prinsip pemanasan induksi didasarkan pada dua hukum dasar kelistrikan berikut ini: pertama, hukum induksi elektromagnetik Faraday.

        E = B-L-v-sin∠ (v-B) (2-1)

di mana L adalah panjang kawat dalam medan magnet;

(v-B) adalah sudut antara arah kekuatan induksi magnetik dan arah kecepatan.

Hukum fundamental lainnya adalah hukum Joule-Lenz. Hukum ini juga dikenal sebagai prinsip efek termal listrik. Hukum Joule-Lenz dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan (2-3):

Q = I ² R t                                    (2-2)

di mana Q adalah kalor Joule-Lenz, dalam J; I adalah intensitas arus, dalam A;

R adalah resistansi konduktor, dalam Ω; t adalah waktu ketika konduktor diberi energi, dalam s.

Ketika arus bolak-balik dengan frekuensi f mengalir melalui kumparan induksi tungku induksi tanpa biji, medan magnet bolak-balik dihasilkan di ruang yang mengelilingi kumparan induksi dan sekitarnya.

Polaritas, kekuatan induksi magnetik, dan frekuensi medan magnet bolak-balik berubah seiring dengan arus bolak-balik yang menghasilkan medan magnet bolak-balik ini. Jika wadah dilapisi dengan kumparan induksi dan diisi dengan bahan tungku logam, sebagian garis medan magnet dari medan magnet bolak-balik akan melewati bahan tungku logam.

Pergantian garis medan magnet setara dengan gerakan relatif garis medan magnet pemotongan antara bahan tungku logam dan garis medan magnet.

Oleh karena itu, gaya gerak listrik induksi (E) akan dihasilkan dalam bahan tungku logam, dan besarnya dapat ditentukan dengan persamaan berikut:

E = 4,44 Ф- f - n (2-3)

di mana Ф adalah fluks magnetik medan magnet bolak-balik dalam kumparan induksi, dalam Wb;

f adalah frekuensi arus bolak-balik, dalam Hz;

n adalah jumlah putaran loop yang dibentuk oleh bahan tungku, biasanya n = 1;

Dari persamaan di atas, dapat dilihat bahwa untuk menghasilkan tegangan induksi yang lebih besar pada material tungku, secara teoritis dapat digunakan peningkatan fluks magnetik, frekuensi, dan jumlah lilitan.

Namun, karena garis medan magnet yang dihasilkan setelah kumparan induksi diberi energi dipaksa untuk melewati udara (dalam kasus tungku induksi tanpa biji), dan udara memiliki keengganan magnetik yang tinggi, fluks magnetik relatif kecil, sehingga sulit untuk meningkatkan fluks magnetik, dan jumlah lilitan bahan tungku umumnya sama dengan l.

Oleh karena itu, untuk meningkatkan tegangan induksi, lebih baik menggunakan metode peningkatan frekuensi.

Karena bahan tungku logam itu sendiri membentuk loop tertutup t, arus induksi (I) yang dihasilkan dalam bahan tungku logam adalah:

di mana R adalah resistansi efektif bahan tungku logam, dalam Ω;

Laju pemanasan material tungku bergantung pada arus induksi, resistansi efektif material tungku, dan waktu pemberian energi. Arus yang diinduksi tergantung pada besarnya gaya gerak listrik yang diinduksi, yaitu besarnya fluks magnet yang melewati material tungku dan frekuensi arus bolak-balik yang mengalir melaluinya. Besarnya arus yang diinduksi tergantung pada ukuran blok material tungku.

(2) Pengadukan Elektromagnetik

Ketika arus induksi mengalir melalui material tungku, pasti akan terkena gaya elektromagnetik, menyebabkan pergerakan terarah dari material tungku logam; yaitu efek "pengadukan elektromagnetik". Manfaatnya adalah sebagai berikut:

1) suhu cairan logam yang seragam.

2) Homogenisasi cairan logam.

3) Meningkatkan kondisi kinetik reaksi fisika dan kimia.

2.1.2 Peralatan Kerja Tungku Induksi

Tungku induksi dapat dibagi menjadi dua jenis: jenis tanpa inti dan inti, dengan jenis yang terakhir jarang digunakan dalam pembuatan baja dan tidak akan dibahas di sini. Sedangkan untuk tungku induksi tanpa inti, secara umum dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis menurut frekuensi daya: tungku frekuensi saluran (dengan frekuensi 50 atau 60Hz) yang terhubung langsung ke jaringan listrik melalui trafo dan terutama digunakan untuk melelehkan besi tuang; tungku frekuensi tinggi (dengan rentang frekuensi 10KHz hingga 300KHz) yang menggunakan osilator tabung elektronik frekuensi tinggi dan terutama digunakan untuk penelitian laboratorium kecil; dan tungku frekuensi menengah (dengan rentang frekuensi 150Hz hingga 10.000Hz) yang menggunakan genset frekuensi menengah, tripler, atau statis thyristor konverter frekuensi.

Set lengkap peralatan untuk tungku induksi frekuensi menengah meliputi: catu daya dan bagian kontrol listrik, bodi tungku, perangkat transmisi, dan sistem pendingin air.

2.2 Karakteristik Peleburan Tungku Induksi

(1) Pemanasan induksi elektromagnetik. Karena metode pemanasannya berbeda, tungku induksi tidak memerlukan elektroda grafit yang diperlukan untuk pemanasan busur listrik, atau zona panas berlebih yang terlokalisasi di bawah busur, sehingga menghilangkan kemungkinan peningkatan karbon elektroda. Tungku induksi dapat melelehkan baja karbon rendah dan paduan yang sulit dilebur dalam tungku busur listrik, menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk menghasilkan produk dengan kandungan gas yang rendah.

(2) Terdapat tingkat pengadukan elektromagnetik tertentu di dalam kolam cair. Pengadukan logam yang disebabkan oleh induksi elektromagnetik meningkatkan komposisi dan suhu yang seragam, penggabungan inklusi, pertumbuhan dan pengapungan pada baja. Hilangnya elemen paduan selama proses peleburan tungku induksi relatif kecil, sehingga komposisi yang diprediksi lebih akurat, yang kondusif untuk kontrol komponen dan mempersingkat waktu peleburan.

(3) Rasio luas permukaan kolam lelehan kecil. Hal ini menguntungkan untuk mengurangi hilangnya elemen yang mudah teroksidasi dalam logam cair dan mengurangi penyerapan gas. Oleh karena itu, tungku induksi telah menciptakan kondisi yang relatif menguntungkan untuk melebur baja dan paduan paduan tinggi, terutama yang mengandung titanium, aluminium, atau boron. Namun, hal ini cenderung membentuk fluiditas yang buruk, kekuatan reaksi yang rendah, yang tidak kondusif untuk reaksi metalurgi pada antarmuka terak dan baja. Untuk alasan ini, persyaratan bahan baku dalam peleburan tungku induksi relatif ketat.

(4) Penyesuaian daya input yang nyaman. Selama proses peleburan tungku induksi, daya input dapat disesuaikan dengan mudah. Oleh karena itu, suhu leleh dari kolam leleh dapat dikontrol dengan lebih akurat, tungku dapat diisolasi, dan baja dapat diproduksi beberapa kali, menciptakan kondisi untuk melelehkan produk dengan komposisi yang berbeda dalam satu batch.

(5) Sumber daya yang sama dapat memasok daya ke beberapa tungku berkapasitas berbeda (tetapi tidak pada waktu yang bersamaan), sehingga fleksibilitas tungku induksi lebih besar daripada tungku busur listrik dalam hal kapasitas peleburan.

(6) Efisiensi termal yang tinggi. Metode pemanasan tungku induksi dan luas permukaan yang kecil menghasilkan pembuangan panas yang lebih sedikit, sehingga efisiensi termal tungku induksi lebih tinggi daripada tungku busur listrik. Namun, efisiensi listrik tungku induksi lebih rendah daripada tungku busur listrik, sehingga efisiensi total dari kedua jenis tungku listrik serupa.

(7) Lebih sedikit asap dan polusi lingkungan yang kecil. Saat melebur dalam tungku induksi, pada dasarnya tidak ada nyala api atau produk pembakaran.

(8) Mengkonsumsi lebih banyak bahan tahan api daripada tungku busur listrik dan memiliki masa pakai wadah yang lebih pendek. Persyaratan bahan tahan api dalam wadah tinggi, sehingga biaya bahan tahan api per ton baja juga lebih tinggi daripada tungku busur listrik.

2.3 Prinsip Peleburan Tungku Induksi

2.3.1 Oksidasi dan Deoksidasi Elemen

Oksigen ada dalam dua bentuk di dalam baja cair. Salah satunya adalah oksigen terlarut, diwakili oleh [O], dan kelarutannya meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Yang lainnya adalah oksigen yang ada dalam bentuk inklusi di dalam baja cair. Ketika elemen deoksidasi hadir dalam baja cair, oksigen terlarut dalam baja cair bergabung dengannya untuk membentuk inklusi oksida. Sumber oksigen dalam baja cair terutama mencakup invasi oksigen dari atmosfer selama peleburan dan pengecoran, oksigen yang dibawa dengan bahan baku, dan oksigen yang masuk dari bahan tahan api.

(1) Kemampuan deoksidasi elemen

Tingkat kesulitan oksidasi berbagai elemen disebut status oksidasi, juga dikenal sebagai kemampuan deoksidasi. Ini mengacu pada kandungan oksigen sisa yang terlarut dalam baja dalam kesetimbangan dengan konsentrasi elemen deoksidasi tertentu pada suhu dan tekanan tertentu. Semakin rendah kandungan oksigen, semakin kuat kemampuan deoksidasi elemen ini. Rumus umum untuk reaksi deoksidasi suatu elemen adalah:

x [M] + y [O] = M_xO_y                       （2-5）

Jika oksida logam dianggap sebagai zat murni yang tidak larut dalam baja cair dan kandungan elemen logam dan oksigen rendah di dalam baja cair, maka kita memiliki:

Dalam rumus, a_MxOy mewakili aktivitas oksida yang diperoleh dengan mendeoksidasi elemen, a_[M] mewakili aktivitas elemen deoksidasi dalam baja, dan a_[O] mewakili aktivitas oksigen dalam baja. Ketika produk deoksidasi adalah oksida murni atau dalam keadaan jenuh, a_MxOy sama dengan 1. Ketika fM = 1, f0 = 1, atau fMx.f0y = konstan, maka,

Misalkan KM = 1/K. Kemudian, KM = [%M]x.[%O]y (2-8).

Besarnya KM dapat digunakan untuk menentukan kemampuan deoksidasi suatu elemen. Semakin kecil nilai KM, semakin kuat kemampuan deoksidasi unsur tersebut. Gambar 2-7 dan Tabel 2-8 memberikan perbandingan kemampuan deoksidasi elemen dalam besi cair dan nikel pada suhu 1600 ℃. Umumnya, dalam besi cair pada suhu 1600℃, urutan kemampuan deoksidasi dari yang terkuat ke yang terlemah adalah: Ba → Ca → Ce → La → Mg → Zr → Al → Ti → B → Si → Mn → W → Fe.

(2) Efek deoksidasi dan faktor yang memengaruhi elemen

1. Afinitas elemen terhadap oksigen: Semakin kuat afinitas suatu elemen terhadap oksigen, semakin besar kemampuan deoksidasi, yang lebih menguntungkan untuk meningkatkan efek deoksidasi.

2. Sifat fisik elemen deoksidasi: Ini termasuk titik leleh, berat jenis, titik didih (tekanan uap), dan kelarutan dalam cairan baja.

3. Karakteristik fisik produk deoksidasi: Titik leleh, berat jenis, tegangan antar muka cairan baja, kemampuan membentuk oksida komposit cairan dengan titik leleh rendah dengan oksida dengan titik leleh tinggi, serta kelarutan dalam cairan baja, semuanya memiliki dampak yang signifikan terhadap efek deoksidasi.

(3) Karakteristik elemen deoksidasi dan deoksidasi komposit:

1. Deoksidasi aluminium dan deoksidasi simultan dengan aluminium, mangan, atau silikon dan mangan: Aluminium adalah deoxidizer yang kuat dengan afinitas tinggi terhadap oksigen, tetapi kemampuan deoksidasinya lebih rendah daripada kalsium, magnesium, barium, elemen tanah jarang, dan lebih tinggi daripada silikon, mangan, titanium, dan elemen lainnya.

2. Karakteristik kalsium dan paduan kalsium untuk deoksidasi: Kalsium adalah deoxidizer yang sangat kuat dan juga elemen desulfurisasi yang sangat efektif. Namun, karena titik didihnya yang rendah (1484 ℃), kalsium berada dalam bentuk uap dalam besi cair, yang mengurangi keefektifannya. Selain itu, kelarutan kalsium dalam besi cair sangat rendah, yang memengaruhi efek deoksidasi dan desulfurisasi, sehingga mengurangi efisiensi penggunaannya.

2.3.2 Deoksidasi Difusi dan Deoksidasi Pengendapan

(1) Deoksidasi Difusi

Prinsip deoksidasi difusi: Menurut hukum distribusi energi, selama deoksidasi difusi, oksigen secara simultan dapat larut dalam terak dan cairan baja. Pada suhu tertentu, terdapat hubungan kesetimbangan berikut ini:

(FeO) = Fe(l) + [O] (2-9)

Pada saat ini, rasio konsentrasi oksigen antara terak dan cairan baja harus konstan, yaitu

Faktor-faktor yang mempengaruhi deoksidasi difusi:

a) Pengaruh suhu terhadap efisiensi deoksidasi difusi. Dampak suhu pada kandungan oksigen jenuh maksimum dalam besi cair ada dua, dan hubungannya dinyatakan dengan rumus berikut: Log [%O] jenuh = -6320/T + 2,734 (2-11).

b) Pengaruh kondisi kontak terak baja.

c) Pengaruh komposisi terak.

(2) Deoksidasi presipitasi:

Prinsip deoksidasi presipitasi: Deoksidasi presipitasi mengacu pada penambahan elemen pada baja cair dengan afinitas oksigen yang lebih besar daripada besi, dengan tujuan bereaksi dengan oksigen terlarut untuk membentuk oksida yang tidak larut dalam baja cair. Oksida kemudian dikeluarkan dari baja cair dengan daya apung, sehingga mengurangi kandungan oksigen pada baja cair.

Jenis dan rentang aplikasi deoxidizer presipitasi: Deoxidizer presipitasi yang umum digunakan terutama mencakup deoxidizer logam murni, deoxidizer berbasis nikel, deoxidizer berbasis aluminium, deoxidizer berbasis silikon-mangan, dan deoxidizer berbasis silikon-kalsium. Dengan menggunakan deoxidizer komposit yang mengandung elemen deoksidasi kuat seperti kalsium, barium, dan magnesium untuk mengurangi kandungan oksigen total, cairan baja dengan kandungan oksigen total ≤0,003% dapat diperoleh. Hanya melalui penggunaan gabungan dari deoxidizer yang berbeda, baja yang sangat murni dapat dicapai.

2.3.3 Desulfurisasi Paduan

Pada dasarnya, desulfurisasi paduan melibatkan pengubahan sulfur terlarut dalam besi cair menjadi senyawa dengan titik leleh tinggi (seperti CaS, MgS, CeS) atau oksida sulfida. Kelarutan sulfida ini dalam besi cair jauh lebih rendah dibandingkan dengan besi sulfida, sehingga memastikan penghilangan atau penyebaran sulfur dari baja. Metode utama desulfurisasi menggunakan agen pemurnian atau reaksi terak.

(1) Desulfurisasi Agen Pemurnian

Prinsip dasar dari desulfurisasi agen pemurnian adalah menggunakan zat dengan afinitas tinggi terhadap sulfur untuk membentuk sulfida. Sulfida ini tidak larut atau memiliki kelarutan yang sangat rendah dalam besi cair dan memiliki densitas yang lebih rendah dari cairan paduan. Afinitas relatif berbagai elemen terhadap sulfur dapat diukur dengan perubahan energi bebas standar setiap elemen yang bereaksi dengan 1 mol sulfur. Pada suhu yang sama, semakin kecil nilai energi bebas standar, semakin besar afinitas antara elemen dan sulfur. Afinitas relatif berbagai elemen terhadap sulfur menurun dalam urutan La, Ca, Ba, Mg, Mn, Fe.

(2) Desulfurisasi Reaksi Terak

Desulfurisasi reaksi terak hanya dapat dilakukan dalam tungku induksi alkali. Proses desulfurisasi dapat dibagi menjadi tiga langkah berikut:

1. Ion belerang dalam cairan logam berdifusi ke antarmuka terak, dan ion oksigen dalam terak berdifusi ke antarmuka terak-baja;

2. Reaksi berikut ini terjadi pada antarmuka terak: [S] + (O2-) = (S2-) + [O] (2-12)

3. Atom sulfur yang dihasilkan berdifusi ke dalam terak, dan atom oksigen yang dihasilkan berdifusi ke dalam baja. Secara empiris, laju reaksi desulfurisasi ditentukan oleh difusi ion sulfur dalam terak. Konstanta kesetimbangan K yang ditunjukkan pada Persamaan 2-12 adalah konstanta yang bervariasi dengan suhu. Kemampuan desulfurisasi terak biasanya dinyatakan dengan koefisien distribusi Ls, yang

N_O^2- mewakili alkalinitas terak, dan alkalinitas yang lebih tinggi lebih disukai untuk desulfurisasi. Namun, ketika alkalinitas terlalu tinggi, laju desulfurisasi mungkin terbatas karena peningkatan titik leleh dan viskositas terak, yang tidak kondusif untuk desulfurisasi. Ketika kandungan oksigen dalam lelehan logam rendah, kandungan oksida besi dalam terak juga rendah, yang menguntungkan untuk desulfurisasi. Eksperimen telah menunjukkan bahwa ada hubungan antara kandungan kesetimbangan sulfur dan oksigen dalam besi cair murni pada suhu 1600 ℃: [S] / [O] = 4. Peningkatan suhu menguntungkan untuk desulfurisasi, tidak hanya karena meningkatkan Ls tetapi juga karena dapat meningkatkan kemampuan aliran terak baja.

2.3.4 Penghapusan Inklusi Non-logam

Kehadiran sejumlah besar non-logam inklusi dalam baja dapat merusak kontinuitas matriks baja, melemahkan gaya antar atom, meningkatkan konsentrasi tegangan, dan menyebabkan pembentukan retakan. Mereka secara serius menurunkan sifat mekanik baja, terutama mengurangi plastisitas, ketangguhan benturan, kinerja fatik, dan bahkan beberapa sifat fisik selama pemrosesan paduan dingin dan panas. Efek ini tidak hanya terkait dengan kandungannya, tetapi juga bentuk dan ukurannya.

Sisa hidrogen dan nitrogen dalam paduan, selain membentuk hidrida dan nitrida, juga rentan menyebabkan fenomena seperti bintik-bintik putih, penggetasan hidrogendan penuaan. [H] dan [N] yang diendapkan dalam bentuk gas dapat membentuk pori-pori dalam ingot bajadan dapat dengan mudah menyebabkan cacat seperti gelembung subkutan selama penggulungan strip. Tungku induksi atmosfer menggunakan metode mengambang untuk menghilangkan inklusi. Ketika kepadatan inklusi non-logam lebih rendah daripada logam cair, inklusi mengapung ke antarmuka logam cair dan terak di bawah daya apung dan diserap oleh terak.

Kecepatan inklusi ke atas dapat dihitung dengan menggunakan hukum Stokes.

2.4 Bahan Baku untuk Peleburan Tungku Induksi

Persyaratan untuk bahan baku: Komposisi kimiawi dari bahan input harus akurat; bahan logam harus bersih, kering, bebas dari minyak dan karat; ukuran balok sesuai; semua bahan harus disimpan di lingkungan yang kering.

Jenis bahan baku: Bahan baja: besi kasar, besi murni industri, besi tua, baja bekas, bahan pengembalian. Bahan paduan: W, Mo, Nb dan paduan besinya; Ni Cr, Co dan paduannya; Si, Mn dan paduannya; V, B dan paduannya; Al, Ti dan paduannya; logam tanah jarang dan paduannya; bahan tambahan khusus. Bahan pembuat terak: kapur, fluorit, pecahan batu bata tanah liat.

Perhitungan bahan:

Berdasarkan komposisi muatan dan target komposisi produk peleburan, hitung berat setiap jenis bahan baku yang akan ditambahkan ke dalam tungku.

Karena tungku induksi terutama berfokus pada proses peleburan dan pemanasan, persyaratan untuk perhitungan bahan lebih tepat. Metode perhitungan yang akurat diperlukan untuk menghitung tingkat pemulihan elemen paduan.

2.5 Cawan Tungku Induksi (Pelajaran 4)

2.5.1 Klasifikasi dan Persyaratan Kualitas Cawan Lebur Tungku Induksi

(1) Klasifikasi cawan lebur:

Crucible tungku induksi dapat diklasifikasikan ke dalam tiga jenis berdasarkan bahannya: basa, asam, dan netral. Bahan pengikat yang paling banyak digunakan adalah asam borat.

Peran asam borat dalam produksi cawan lebur asam (pasir silika) atau basa (magnesia) meliputi:

a. Menurunkan suhu sintering.

b. Mempromosikan pembentukan spinel.

c. Mengurangi laju perubahan volume wadah.

Cawan lebur juga dapat diklasifikasikan berdasarkan metode pembuatannya: cawan lebur pracetak, cawan lebur yang dibentuk di tempat, dan cawan lebur berlapis batu bata tahan api.

(2) Persyaratan kualitas untuk cawan lebur

Persyaratan utama untuk bahan tahan api cawan lebur meliputi:

Daya tahan tinggi dan kekuatan struktural suhu tinggi.

Ketahanan yang baik terhadap pemanasan/pendinginan yang cepat.

Ketahanan yang baik terhadap korosi terak.

Konduktivitas termal serendah mungkin.

Performa insulasi yang baik.

Tidak ada polusi, tidak berbahaya, volatilitas rendah, ketahanan yang kuat terhadap hidrasi, dan biaya rendah.

2.5.2 Persiapan Cawan Petri

(1) Rasio ukuran partikel:

Rasio ukuran partikel yang wajar dapat mencapai kepadatan volume terbaik untuk memastikan bahwa wadah memiliki tingkat porositas minimum, biasanya sekitar 20%. Kisaran ukuran partikel pasir kasar, sedang, dan halus tergantung pada kapasitas tungku.

Rasio ukuran partikel cawan lebur magnesium dengan kapasitas yang sama

(2) Metode Pembentukan

Ada dua metode utama untuk membentuk wadah tungku induksi: pembentukan eksternal dan pembentukan internal. Menurut perbedaan pengikat, metode pembentukan internal dapat dibagi menjadi pembentukan basah dan pembentukan kering.

(3) Pembuatan Wadah

Untuk cawan lebur yang dibentuk secara eksternal, manufaktur mengacu pada bagaimana cawan lebur dipasang dalam koil induksi dan bagaimana mulut tungku diperbaiki. Di sini, kami memperkenalkan proses pembuatan cawan lebur yang dibentuk secara internal. Pekerjaan persiapan sebelum produksi meliputi persiapan dan pencampuran pasir, pembersihan dan pemeriksaan koil induksi, persiapan cetakan wadah, dan persiapan alat dan perlengkapan pembentukan.

Sebelum setiap wadah dibuat, kumparan induksi diperiksa apakah ada kebocoran, rembesan air, kerusakan insulasi, dan apakah pengencang antara kumparan induksi dan lilitan dapat diandalkan dan kokoh.

Cetakan terutama mengacu pada inti wadah, yang digunakan untuk mengontrol bentuk dan volume di dalam wadah. Inti wadah tungku induksi dilas dengan pelat baja atau terbuat dari grafit.

Mesin cetak getaran inti grafit Mesin cetak getaran

(4) Sintering Wadah

Tujuan: Untuk meningkatkan kekompakan, kekuatan, dan stabilitas volume wadah.

Proses: Permukaan kontak material pasir dipanaskan hingga suhu tinggi untuk membentuk jaringan sintering kontinu melalui ikatan fase cair, yang menghubungkan seluruh material pasir menjadi satu kesatuan.

Metode sintering: Sintering suhu tinggi dan sintering suhu rendah.

A. Sintering suhu tinggi pada cawan lebur magnesium (dibagi menjadi empat tahap)

Tahap 1: Suhu sintering pada 850 ℃, terutama untuk reaksi dehidrasi bahan pasir dan penguraian karbonat.

Tahap 2: Suhu sintering antara 850-1500 ℃, senyawa dengan titik leleh rendah mulai meleleh, jaringan sintering mulai terbentuk, dan volume wadah menyusut secara signifikan. Laju pemanasan dapat ditingkatkan secara tepat selama tahap ini.

Tahap 3: Suhu sintering antara 1500-1700 ℃, magnesium olivin dan magnesium-aluminium spinel mulai meleleh, senyawa baru mulai terbentuk, jaringan sintering terbentuk, dan volume wadah menyusut tajam, dengan kepadatan dan kekuatan yang meningkat secara signifikan. Laju pemanasan harus dikurangi selama tahap ini.

Tahap 4: Suhu sintering antara 1700-1850 ℃, terutama untuk mendorong pertumbuhan forsterit yang berkelanjutan, dan mendapatkan ketebalan lapisan sintering yang ideal serta struktur sintering penampang wadah.

B. Sintering suhu rendah pada cawan lebur magnesium (dibagi menjadi tiga tahap)

Tahap 1: Suhu pada 850℃, terutama untuk reaksi dehidrasi dan penguraian karbonat, dengan laju pemanasan yang lambat.

Tahap 2: Suhu antara 850 ℃ -1400 ℃, jaringan sintering senyawa dengan titik leleh rendah yang mengandung B2O3 terbentuk dengan cepat, dan kekuatan wadah meningkat.

Tahap 3: Suhu antara 850 ℃ -1400 ℃, untuk terus meningkatkan ketebalan lapisan sintering dari wadah yang telah disinter sebelumnya dan mencapai struktur sintering yang ideal.

2.6 Proses Peleburan Tungku Induksi

2.6.1 Proses Peleburan

Baja bekas yang digunakan untuk peleburan biasanya mengandung sejumlah kelembapan dan kontaminasi minyak. Tidaklah aman untuk secara langsung menambahkan bahan tungku semacam itu ke dalam tungku, khususnya dalam kasus kolam lelehan yang sudah terbentuk, karena sering kali menyebabkan percikan. Pada saat yang sama, ini juga merupakan salah satu sumber utama oksigen dalam produk.

Oleh karena itu, beberapa pabrik membuat sistem pemanasan awal atau pengeringan untuk baja bekas, menggunakan metode pemanasan untuk menghilangkan kelembapan dan kontaminasi minyak yang menempel pada baja bekas untuk memastikan penggunaan yang aman dan mencegah masuknya hidrogen. Selain itu, menambahkan baja bekas yang telah dipanaskan sebelumnya dapat mempersingkat waktu peleburan dan mengurangi konsumsi energi.

(1) Pengisian daya

Persyaratan bahan baku:

a. Komposisi kimiawi bahan yang diisi harus akurat;

b. Bahan logam harus bersih, kering, bebas minyak, dan memiliki sedikit karat;

c. Ukuran blok material yang sesuai;

d. Penyimpanan kering.

Persyaratan pengisian daya:

Lapisan bawah material tungku harus padat, dan lapisan atas harus longgar untuk mencegah pengikatan lapisan atas material tungku selama proses peleburan;

Sebelum mengisi bahan besar, lapisan bahan kecil dan ringan harus diletakkan terlebih dahulu di bagian bawah tungku ；

Beberapa paduan atau bahan baja dengan titik leleh yang lebih rendah dari yang lain harus diisi terlebih dahulu di bagian bawah tungku ；

Bahan dengan titik leleh tinggi dan tidak mudah teroksidasi harus diisi di bagian atas bahan berlapis, yaitu zona suhu tinggi ；

Zona suhu rendah di bagian atas wadah terutama harus diisi dengan bahan baja ；

Bahan harus dibebankan secara longgar untuk mencegah terjadinya pengikatan.

(2) Peleburan

Peleburan material tungku secara langsung berkaitan dengan perubahan kandungan gas dalam logam cair dan pemulihan elemen paduan, serta memengaruhi indikator teknis seperti waktu peleburan, umur wadah, dan konsumsi energi. Periode peleburan merupakan tahap penting dalam peleburan tungku induksi, dengan tugas utama sebagai berikut:

Untuk melelehkan material tungku dengan cepat, desulfurisasi, kurangi hilangnya elemen paduan, dan segera tambahkan terak untuk mencegah lelehan logam menyerap gas.

(3) Pemurnian

Periode pemurnian merupakan mata rantai penting dalam peleburan tungku induksi, menyelesaikan tugas-tugas seperti deoksidasi, paduan dan penyesuaian komposisi dan suhu cairan baja melalui pemurnian.

Menyesuaikan komposisi terak untuk mengurangi kandungan elemen paduan dalam terak.

Deoksidasi dan paduan cairan baja.

(4) Penyadapan dan Pengecoran

Jika baja atau paduan yang dilebur memenuhi persyaratan untuk disadap, maka dapat disadap. Untuk tungku berkapasitas kecil, bisa langsung dicetak. Untuk tungku berkapasitas lebih besar, dapat dituangkan ke dalam sendok tuang terlebih dahulu dan kemudian dituang. Bergantung pada persyaratan produk, itu dapat dicetak menjadi ingot, coran, atau elektroda yang dapat dikonsumsi. Itu proses penyadapan juga memerlukan pemilihan metode pengecoran berdasarkan kualitas dan aliran proses produk, seperti apakah akan menggunakan pengecoran vakum atau non-vakum, dan apakah akan menggunakan penuangan atas atau penuangan bawah.

Umumnya, paduan pemanas listrik dan paduan suhu tinggi memerlukan penyempurnaan lebih lanjut, sehingga umumnya dilemparkan ke dalam elektroda yang dapat dikonsumsi, sedangkan paduan presisi umumnya dicor secara vakum. Pengecoran vakum dapat menghindari oksidasi sekunder dan penyerapan kembali cairan baja selama proses proses pengecorandan secara efektif dapat menghilangkan hidrogen dan sebagian nitrogen, sehingga mendapatkan baja dengan lebih sedikit pengotor dan kemurnian yang lebih tinggi.

2.7 Kontrol Komposisi dalam Peleburan Tungku Induksi (Pelajaran 5)

Komposisi kimiawi memiliki dampak yang signifikan terhadap kualitas dan performa baja. Untuk beberapa jenis bajakomposisi kimia perlu dikontrol dalam rentang yang lebih ketat selain memenuhi spesifikasi teknis, untuk memenuhi persyaratan kualitas dan kinerja yang lebih tinggi. Kontrol komposisi kimia dilakukan pada setiap proses pembuatan baja tungku dan berkaitan erat dengan hilangnya elemen paduan, sifat fisikokimia, kondisi fisikokimia terak, temperatur cairan baja, metode peleburan, dsb.

(1) Faktor utama yang memengaruhi tingkat pemulihan elemen paduan

Sifat fisikokimia dari elemen paduan itu sendiri.

Waktu peleburan. Semakin lama waktu peleburan, semakin besar kehilangan C dan Si, dan semakin tinggi kehilangan elemen paduan ketika elemen aktif ditambahkan dan waktu untuk mengetuk lebih lama.

Suhu peleburan. Dengan peningkatan suhu, energi bebas elemen paduan dalam baja berkurang, yang kondusif untuk pelarutan elemen paduan. Namun, suhu yang terlalu tinggi akan memperparah hilangnya elemen paduan.

Sistem terak. Kondisi fisikokimia terak memiliki dampak yang signifikan terhadap tingkat pemulihan elemen paduan. Terutama viskositas dan alkalinitas terak memiliki pengaruh yang lebih besar. Semakin tinggi kandungan FeO dan SiO2 dalam terak, semakin besar pula kehilangan elemen.

Kehilangan elemen yang mudah menguap. Perhatian harus diberikan pada kehilangan volatil yang disebabkan oleh oksida untuk W, Mo, dan Mn.

Kandungan [O], [N], dan [S] dalam cairan baja. Semakin tinggi kandungan [O], [N], dan [S] dalam baja, semakin besar pula kehilangan elemen. Cairan baja harus sepenuhnya terdeoksidasi, terdesulfurisasi, dan terdenitrifikasi sebelum menambahkan elemen paduan.

Pengaturan waktu, ukuran blok, dan metode penambahan elemen paduan. Semakin dini elemen yang lebih aktif ditambahkan, semakin besar kehilangannya. Tingkat pemulihan elemen paduan lebih tinggi ketika menambahkan elemen paduan berbentuk balok daripada ketika menambahkan elemen bubuk. Ada juga sedikit perbedaan dalam tingkat pemulihan antara menambahkan ke tungku atau menambahkan ke sendok.

(2) Metode untuk meningkatkan tingkat pemulihan elemen paduan

1. Metode kontrol untuk elemen dengan kehilangan rendah: Elemen paduan dengan tingkat kehilangan yang lebih rendah dari 5% dalam kondisi peleburan normal disebut elemen kehilangan rendah, termasuk Ni, Co, Mo, W, Cu, dll. Elemen kehilangan rendah umumnya dapat ditambahkan bersama dengan muatan tungku, dan tembaga elektrolitik harus ditambahkan pada akhir peleburan karena titik lelehnya yang rendah. Hilangnya Mo dan W selama peleburan terutama disebabkan oleh hilangnya oksida yang mudah menguap.

Selain itu, paduan yang mengandung tungsten tidak dapat dilebur dalam wadah baru karena akan menyebabkan hilangnya tungsten dan komposisi kimia yang tidak sesuai akibat wadah yang menyerap tungsten. Material yang mengandung tungsten juga dapat menyebabkan "fenomena bottoming", di mana sejumlah besar material yang mengandung tungsten mengendap di bagian bawah wadah dan tidak dapat meleleh dalam waktu yang lama. Untuk mengurangi hilangnya W dan Mo, peleburan dan pengadukan yang cukup harus dipastikan selama peleburan.

2. Metode kontrol untuk elemen dengan kehilangan sedang: Elemen dengan kehilangan sedang mengacu pada elemen dengan tingkat kehilangan antara 5% dan 20%, termasuk Cr, V, Si, Mn, Nb, dll., dan penambahannya tergantung pada situasi di dalam tungku. Umumnya, Nb ditambahkan pada akhir pemurnian dan diaduk secukupnya. Ketika melebur baja yang mengandung Cr, harus berhati-hati untuk mencegah kromium teroksidasi ke dalam terak. Jika kandungan kromium tidak tinggi, yang terbaik adalah menambahkannya setelah deoksidasi sempurna. Saat menambahkan Mn untuk menghilangkan efek penggetasan termal FeS, Mn/S>8 harus dikontrol.

3. Metode kontrol untuk elemen dengan kehilangan tinggi: Elemen paduan seperti Ti, Al, Re, Zr, dll. memiliki tingkat kehilangan yang lebih besar dari 20% dalam kondisi peleburan normal dan merupakan elemen dengan tingkat kehilangan yang tinggi. Umumnya, mereka harus ditambahkan setelah deoksidasi akhir. Metode penambahan tergantung pada sistem deoksidasi.

Selain itu, metode dan waktu penambahan elemen paduan harus dipertimbangkan secara komprehensif untuk mengontrol laju pemulihan elemen paduan. Misalnya, saat melebur paduan suhu tinggi, Ti perlu ditambahkan. Jika Ti ditambahkan dalam bentuk spons titanium, meskipun ditambahkan setelah deoksidasi akhir, tingkat pemulihan hanya akan sekitar 70%. Namun, jika titanium dibuat menjadi paduan antara Ni-Ti dan ditambahkan, tingkat pemulihan dapat mencapai lebih dari 95%.

3. Peleburan Induksi Vakum (VIM)

3.1 Gambaran Umum

Peleburan induksi vakum (VIM) adalah metode peleburan bahan dalam kondisi vakum dengan menggunakan induksi elektromagnetik untuk menghasilkan arus eddy untuk pemanasan pada konduktor logam. Teknologi degassing dan penuangan induksi vakum (VIDP) yang baru memiliki keunggulan volume leleh yang kecil, waktu pemompaan vakum yang singkat dan siklus peleburan, kontrol suhu dan tekanan yang mudah, pemulihan elemen yang mudah menguap dengan mudah, kontrol komposisi yang akurat, dll. Sejak kemunculannya pada tahun 1988, telah terdaftar sebagai objek pemilihan utama untuk tungku induksi vakum skala besar di negara-negara maju.

3.1.1 Peralatan Tungku Induksi Vakum

Tungku induksi vakum adalah peralatan yang digunakan untuk memproduksi superalloy. Menurut mode operasinya, tungku ini dapat dibagi menjadi tungku tipe batch dan tungku operasi semi-kontinyu. Tungku induksi vakum dapat digunakan untuk memurnikan superalloy dan juga untuk pengecoran paduan khusus. Peralatan pendukung tungku induksi vakum dapat dibagi menjadi empat bagian: catu daya dan kontrol listrik, bodi tungku, sistem vakum, dan sistem pendingin air, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3-1 dan 3-2.

3.1.2 Catu Daya Tungku Induksi Vakum

Catu daya tungku induksi vakum memiliki persyaratan sebagai berikut:

(1) Potensi terminal induktor harus rendah. Tegangan operasi yang digunakan oleh tungku induksi vakum lebih rendah daripada tungku induksi frekuensi menengah, biasanya di bawah 750V, untuk mencegah pelepasan gas di bawah vakum yang disebabkan oleh tegangan yang terlalu tinggi dan kerusakan isolasi, menyebabkan kecelakaan.

(2) Mencegah harmonisa tingkat tinggi memasuki sirkuit beban. Saat menggunakan sirkuit konversi frekuensi thyristor, harmonisa orde tinggi sering memasuki sirkuit beban, menyebabkan induktor meningkatkan tegangan ke cangkang tungku dan menyebabkan pelepasan. Oleh karena itu, perlu untuk menambahkan transformator isolasi frekuensi menengah di ujung output catu daya untuk mencegat masuknya harmonisa orde tinggi.

(3) Arus rangkaian osilasi harus besar;

1 - Ruang peleburan induksi vakum; 2 - katup pengasaran; 3 - katup vakum tinggi; 4 - pompa mekanis; 5 - pompa difusi; 6 - katup

3.1.3 Struktur Badan Tungku Tungku Induksi Vakum

Struktur konvensional tungku induksi vakum dapat dibagi menjadi tungku vertikal satu ruang dan tungku horizontal dua ruang sesuai dengan bentuk pembukaan dan penutupan badan tungku. Badan tungku tungku induksi vakum terutama terdiri dari cangkang tungku, induktor, wadah, mekanisme kemiringan, sistem pengecoran, sistem pendingin air, dan perangkat catu daya. Struktur badan tungku meliputi dua jenis: jenis pengecoran berputar wadah dan jenis pengecoran miring badan tungku.

Badan tungku dari tungku induksi vakum dilengkapi dengan aksesori seperti pengumpanan, pengadukan, pengukuran suhu, dan perangkat pengambilan sampel. Karakteristik terbesar dari tungku induksi vakum adalah proses peleburan dan pengecoran dilakukan di dalam cangkang tungku. Cangkang tungku dibagi menjadi cangkang tungku tetap dan cangkang tungku bergerak. Cangkang tungku harus tahan terhadap tekanan kuat yang dibentuk oleh vakum internal dan memiliki kekuatan struktural yang memadai.

Cangkang tungku tungku induksi vakum kecil mengadopsi struktur lapisan ganda, dengan stainless steel non-magnetik pelat baja untuk lapisan dalam dan pelat baja biasa yang dilas ke lapisan luar, dan air pendingin yang mengalir di antaranya. Tungku induksi vakum besar menggunakan struktur lapisan ganda di beberapa bagian, dengan pelat baja lapisan tunggal yang didinginkan oleh pipa air di bagian luar. Permukaan kontak antara bagian yang dapat digerakkan dan bagian tetap dari cangkang tungku harus disegel dengan bagian karet vakum. Prinsip sistem vakum ditunjukkan pada Gambar 3-3.

3.1.4 Karakteristik Peleburan Tungku Induksi Vakum

(1) Kandungan gas yang rendah dan kemurnian produk yang tinggi;

(2) Kontrol yang tepat atas komposisi produk;

(3) Kemampuan beradaptasi yang kuat terhadap bahan baku;

(4) Dapat dicetak menjadi ingot dalam kondisi vakum, serta coran berbentuk kompleks.

Namun, ada juga beberapa masalah dengan peleburan tungku induksi vakum. Selama proses peleburan, logam cair bersentuhan dengan bahan tahan api wadah untuk waktu yang lama, yang pasti menyebabkan kontaminasi logam oleh bahan tahan api. Kedua, kondisi pemadatan logam cair dan metode pengecoran umum tidak berbeda, sehingga masih terdapat cacat seperti kelonggaran dan pemisahan.

Tabel 3-1 Kandungan Gas dalam Baja SAE4340 yang Diproduksi dengan Metode Peleburan yang Berbeda

Tabel 3-2 Kandungan Gas dalam Baja SAE4340 yang Diproduksi dengan Metode Peleburan yang Berbeda

3.2 Dasar Teori Peleburan Vakum

(1) Deoksidasi Karbon di Bawah Vakum

Kemampuan deoksidasi karbon di bawah vakum meningkat secara signifikan dengan meningkatnya derajat vakum. Pada suhu 1600 ℃, ketika tingkat vakum 10-3 atm, kemampuan deoksidasi karbon telah melebihi kemampuan aluminium; Ketika tingkat vakum sistem adalah 10-5 atm, kemampuan deoksidasi karbon adalah 105 kali lipat dalam kondisi atmosfer. Deoksidasi karbon terutama digunakan dalam kondisi vakum.

(2) Pelarutan Gas dalam Baja dan Faktor-faktor yang Mempengaruhinya

Kelarutan molekul gas diatomik dalam logam cair sebanding dengan akar kuadrat tekanan gas di atmosfer. Oleh karena itu, semakin tinggi tingkat kevakuman, semakin rendah kelarutan gas dalam logam.

Pada suhu 1600 ℃ dan PH2 = 100Kpa, efek elemen paduan pada kelarutan nitrogen dalam besi cair, serta efek pada kelarutan hidrogen dalam besi cair pada suhu 1600 ℃ dan PN2 = 100Kpa, harus dipertimbangkan.

3.3 Proses Peleburan Tungku Induksi Vakum

Seluruh siklus peleburan tungku induksi vakum dapat dibagi menjadi beberapa tahap utama, termasuk pengisian, peleburan, pemurnian, paduan dan deoksidasi, penuangan, dll.

3.3.1 Pengisian daya

(1) Persyaratan Bahan Baku

Bahan muatan yang digunakan dalam tungku induksi vakum umumnya adalah bahan baku bersih yang telah dibersihkan permukaannya derusted dan dihilangkan, dengan sebagian besar elemen paduan yang ditambahkan dalam bentuk logam murni. Bahan muatan basah tidak boleh digunakan selama pengisian agar tidak memengaruhi kualitas produk jadi dan menyebabkan percikan selama peleburan. Selama pengisian, bagian atas bahan muatan harus longgar sementara bagian bawah harus kencang untuk mencegah "penghubung" yang disebabkan oleh bahan muatan bagian atas yang tersangkut atau dilas selama proses peleburan. Lapisan bahan kecil yang ringan harus diletakkan di bagian bawah wadah sebelum mengisi bahan berukuran besar. Bahan muatan dengan titik leleh tinggi dan sulit dioksidasi harus dimuat di zona suhu tinggi di bagian tengah dan bawah wadah. Beberapa elemen aktif seperti Al, Ti, Mn, B, dan tanah jarang dapat dimasukkan ke dalam pengumpan terpisah.

(2) Persyaratan Pengisian Daya

I. Lapisan bawah bahan muatan harus kompak, sedangkan lapisan atas harus longgar untuk mencegah penghubung lapisan atas bahan muatan selama proses peleburan; lapisan bahan ringan kecil harus diletakkan di bagian bawah wadah sebelum mengisi bahan berukuran besar.

II. Bahan muatan dengan titik leleh tinggi dan sulit dioksidasi harus dimuat di zona suhu tinggi di bagian tengah dan bawah wadah.

III. Bahan muatan yang mudah teroksidasi harus ditambahkan dalam kondisi yang baik untuk deoksidasi logam.

IV. Untuk mengurangi hilangnya elemen yang mudah menguap, paduan dapat ditambahkan ke lelehan logam dalam bentuk paduan atau gas inert dapat dimasukkan ke dalam ruang peleburan untuk mempertahankan tekanan tungku tertentu.

3.3.2 Fase Peleburan

Untuk tungku vakum yang beroperasi secara intermiten, setelah bahan muatan diisi, ruang vakum ditutup dan vakum dipompa keluar. Apabila tekanan dalam ruang vakum mencapai 0,67 Pa (5×10^-3 mmHg), daya dapat dinyalakan untuk memanaskan bahan muatan. Untuk tungku produksi kontinu dengan bahan muatan yang dimuat dalam kondisi vakum, daya dapat disuplai untuk memasuki fase peleburan segera setelah pengisian selesai. Dengan mempertimbangkan efek degassing dari bahan muatan selama peleburan, input daya maksimum tidak diperlukan selama tahap peleburan awal. Sebaliknya, daya harus ditingkatkan secara bertahap sesuai dengan situasi degassing bahan muatan untuk menghindari degassing yang berlebihan yang menyebabkan percikan. Ketika terjadi pendidihan atau percikan yang hebat, daya input dapat dikurangi atau tekanan tungku dapat sedikit ditingkatkan untuk mengendalikannya. Tanda dari kolam lelehan yang jernih adalah permukaan kolam lelehan yang tenang, tanpa ada gelembung yang keluar. Kemudian dapat dilanjutkan ke fase pemurnian.

3.3.3 Tahap Pemurnian

Tugas utama fase pemurnian adalah meningkatkan kemurnian logam cair dan melakukan pemaduan. Pada saat yang sama, suhu peleburan dan paduan perlu disesuaikan. Tujuan dari fase pemurnian adalah untuk mengurangi kandungan gas, menghilangkan kotoran berbahaya, dan membuat komposisi baja memenuhi syarat. Suhu fase pemurnian harus dikontrol di atas 100 ℃ dari titik leleh logam yang dilebur. Tingkat vakum untuk tungku induksi vakum besar biasanya antara 15-150Pa; untuk tungku kecil, antara 0,1-1Pa. Waktu pemurnian adalah 15-25 menit untuk tungku 200 kg dan 60-100 menit untuk sekitar satu ton.

3.3.4 Paduan

Paduan mengacu pada penyesuaian komposisi, yang dilakukan di bawah kondisi deoksidasi dan degassing yang baik dengan menambahkan elemen paduan. Jenis dan jumlah elemen yang ditambahkan ditentukan oleh persyaratan untuk sifat paduan, dan urutan serta kondisi penambahan ditentukan oleh afinitas dan volatilitas elemen paduan dengan oksigen. Setelah menambahkan setiap elemen, daya harus ditingkatkan dan diaduk untuk jangka waktu tertentu untuk mempercepat peleburan dan memastikan pemerataan.

3.3.5 Pengecoran dan Penuangan Baja

Setelah fase paduan, ketika cairan logam dalam wadah mencapai komposisi dan suhu target, dan kelurusan dari ruang vakum memenuhi persyaratan teknis, baja dapat dicetak. Saat menuangkan ke dalam tutup insulasi, vakum segera dipecahkan dan agen pemanas dan agen insulasi ditambahkan untuk menghindari porositas penyusutan yang masuk ke dalam tubuh ingot. Untuk paduan suhu tinggi dengan komposisi kompleks, paduan tersebut harus dibiarkan dalam ruang hampa selama 15-20 menit setelah pengecoran sebelum memecahkan ruang hampa. Untuk tungku induksi vakum kontinu yang besar, ingot dapat dibiarkan mendingin di bawah vakum.

3.4 Volatilitas elemen dan kontrol komposisi

Semua logam (termasuk beberapa non-logam) memiliki tekanan uap kesetimbangan Poi, yang bergantung pada sifat fisik logam, bentuk wujud gas (atom tunggal, diatomik, atau molekul multi atom), dan suhu. Hubungan antara tekanan uap Po zat i dan suhu adalah sebagai berikut: (P0 adalah tekanan standar dan tidak perlu dimodifikasi)

             lg (Po_i/133.3) = AT^-1+ BlgT + TC × 10^-3+D (3-1)

di mana satuan Poi adalah Pa. Parameter A, B, C, D dan sifat fisik lain yang relevan dari elemen yang terkait dengan metalurgi baja tercantum dalam Tabel 3-5. Semakin tinggi tekanan uap suatu elemen, semakin besar kemungkinannya untuk menguap selama peleburan vakum. Menurut data pada Tabel 3-5, urutan penurunan Poi untuk setiap elemen pada suhu 1873K dapat dihitung sebagai berikut: Zn, Mg, Ca, Sb, Bi, Pb, Mn, Al, Sn, Cu, Cr, Fe, Co, Ni, Y, Ce, Sl, La, Ti, V, B, Zr, Mo, Nb, W, Ta.

Tekanan uap Pi dari komponen i dalam paduan atau logam mentah tidak sama dengan tekanan uap Poi dari zat murni i karena konsentrasi i dalam paduan selalu lebih rendah daripada konsentrasi dalam zat murni. Selain itu, interaksi antara molekul i dan elemen komponen lain dalam paduan tidak sama dengan interaksi di antara molekul i. Rumus untuk menghitung Pi adalah:

P_i= a_i .P^o_i，= r _i  .N _i .P^o_i                          (3-2)

Dalam rumus:

ai: aktivitas komponen i dalam paduan

ri: koefisien aktivitas ke-i

Ni: konsentrasi fraksional molar dari i

Pada paduan besi, elemen paduan dapat dibagi menjadi tiga kategori: elemen yang tidak mudah menguap, mudah menguap, dan elemen pengotor yang dapat dihilangkan dengan penguapan. Unsur yang tidak mudah menguap meliputi Ti, V, B, Zr, Mc (Hf), Nb, Ta, dan W. Unsur yang mudah menguap meliputi Mn, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ca, dan Mg. Dalam kondisi peleburan vakum, elemen-elemen ini akan menguap dengan derajat yang berbeda-beda. Baja dan paduannya mengandung beberapa elemen logam yang memiliki dampak signifikan terhadap kinerja baja dan paduannya. Unsur-unsur tersebut sulit dihilangkan dengan metode kimia konvensional. Jika elemen-elemen ini memiliki tekanan uap yang tinggi, mereka dapat dihilangkan dengan penguapan selama peleburan vakum. Unsur-unsur logam ini termasuk Sn, Pb, Bi, Sb, dan Zn.

Elemen jejak seperti magnesium, zirkonium, boron, dll., digunakan untuk microalloying; jejak pengotor seperti Pb, Bi, As, Sb, dan Sn berbahaya bagi baja dan paduan. Magnesium murni memiliki tekanan uap yang tinggi pada suhu leleh, kepadatan rendah, dan afinitas yang kuat terhadap oksigen, yang membuat paduan magnesium menjadi sulit.

Selama peleburan vakum, magnesium ditambahkan dalam bentuk paduan biner atau terner selama tahap peleburan selanjutnya. Untuk meningkatkan laju pemulihan magnesium, hal-hal berikut harus diperhatikan saat menambahkan magnesium:

(1) Suhu baja cair harus sekitar 20°C lebih rendah dari suhu penyadapan sebelum menambahkan magnesium.

(2) Waktu penahanan harus dikontrol setelah menambahkan magnesium, umumnya ditambahkan dalam waktu 1-5 menit sebelum penyadapan.

(3) Gas argon harus dimasukkan ke dalam tungku sebelum menambahkan magnesium untuk memastikan tingkat pemulihan magnesium yang tinggi.

Jejak elemen berbahaya dalam baja dan paduan biasanya berupa pengotor dengan titik leleh rendah yang terakumulasi dari penggunaan berulang kali dari skrap atau yang terkandung dalam bijih besi. Pemurnian vakum adalah metode yang paling efektif untuk menghilangkan elemen pengotor berbahaya ini karena umumnya memiliki tekanan uap yang tinggi. Karena tekanan uap yang berbeda dan pengaruh yang berbeda-beda dari elemen komponen lainnya, tingkat penguapan elemen-elemen ini sangat berbeda.

3.5 Interaksi antara Lelehan Logam dan Bahan Tahan Api di bawah Vakum

Dengan terus berkembangnya teknologi tungku induksi, kapasitas tungku induksi tanpa biji semakin meningkat, dan tungku induksi vakum dan tradisional yang telah dimasukkan ke dalam produksi masing-masing telah mencapai 60t dan 40t. Pada tahun 1960-an, Amerika Serikat secara berturut-turut memproduksi tungku VIM (Vacuum Induction Melting Furnace) dengan kapasitas 15t, 30t, dan bahkan 60t. Peningkatan kapasitas tungku listrik juga secara bersamaan meningkatkan permintaan akan bahan tahan api dengan kemurnian tinggi dengan sifat fisik khusus.

Kondisi operasi untuk bahan tahan api yang digunakan dalam peleburan vakum umumnya lebih ketat daripada yang digunakan dalam peleburan konvensional. Hal ini karena banyak bahan tahan api yang terurai sesuai dengan komposisinya dan bereaksi dengan logam cair dalam kondisi vakum. Di satu sisi, hal ini mencemari logam cair, dan di sisi lain, hal ini meningkatkan korosi pada bahan refraktori. Hal ini terutama terlihat pada bahan tahan api yang mengandung silika dan oksida besi dalam jumlah besar.

Retak susut yang terjadi pada material refraktori yang digunakan dalam peleburan vakum lebih parah dibandingkan dengan peleburan konvensional, terutama pada tungku induksi tanpa biji berkapasitas tinggi (>2.5t). Oleh karena itu, bahan tahan api untuk tungku induksi skala besar harus memiliki karakteristik sebagai berikut:

(1) Pemuaian yang tidak dapat dipulihkan, tidak akan terjadi retakan penyusutan;

(2) Kemurnian tinggi;

(3) Stabilitas yang baik dalam lingkungan vakum;

(4) Mampu menahan erosi logam cair dan terak.

Bahan tahan api dengan karakteristik ini meliputi magnesia-alumina-spinel dan alumina dengan kemurnian tinggi. Dalam beberapa tahun terakhir, batching bahan tahan api ini, serta bahan perbaikan dan pengikat yang sesuai, telah berkembang secara signifikan.

Magnesia dan alumina bereaksi membentuk magnesia-alumina-spinel dengan kemurnian tinggi dengan kepadatan rendah. Lapisan yang terbuat dari magnesia-alumina-spinel dapat digunakan pada suhu 1647 ℃, dan setelah didinginkan hingga suhu kamar atau diisi dengan bahan dingin, dapat dipanaskan dan digunakan pada suhu 1647 ℃ tanpa retak setelah puluhan siklus. Menurut laporan yang relevan, lapisan tungku induksi 6t berkapasitas nominal dibuat dengan menabrak alumina 95%. Saat memproduksi baja tahan karat seri 300 dan 400, lapisan tungku dapat digunakan terus menerus untuk 150 tungku tanpa perawatan apa pun.

3.6 Penerapan Teknologi Baru dalam Peleburan Tungku Induksi

Selama hampir 80 tahun sejak tungku induksi ditemukan, telah terjadi kemajuan yang signifikan dalam peralatan dan proses. Sebagai hasilnya, langkah-langkah telah diadopsi untuk meningkatkan peleburan tungku induksi dalam hal volume produksi, produktivitas, kualitas produk, dan jangkauan produk. Langkah-langkah ini meliputi perlakuan magnesium pada paduan, defosforisasi potensial oksigen rendah, peniupan argon, injeksi bubuk, gas campuran hidrogen-oksigen dekarburisasidan pemurnian hidrogen untuk baja cair.

3.6.1 Perlakuan Magnesium pada Paduan

Paduan berbasis nikel atau besi bersuhu tinggi, serta paduan presisi yang mengandung elemen paduan tingkat tinggi, beberapa di antaranya lebih reaktif daripada yang lain, seperti aluminium dan titanium, tidak dapat menjamin sifat yang memuaskan seperti plastisitas termal, kemampuan laskekuatan suhu tinggi, dan ketahanan mulur, bahkan ketika dilebur dalam kondisi vakum. Oleh karena itu, sejumlah magnesium ditambahkan pada akhir pemurnian. Sisa magnesium dalam logam dapat secara signifikan meningkatkan sifat-sifat ini.

Sifat fisikokimia spesifik dari magnesium menentukan bahwa sulit untuk mengontrol metode penambahan dan tingkat pemulihan selama proses penambahan magnesium. Untuk mengatasi masalah ini, paduan magnesium seperti Ni-Mg dan Ni-Mg-Me digunakan untuk mengurangi tekanan uap magnesium dan meningkatkan titik leleh dan titik didihnya. Proses operasi untuk pengolahan magnesium adalah sebagai berikut:

(1) Setelah periode pemurnian selesai, jika B dan Ce perlu ditambahkan, sesuaikan suhu lelehan sehingga 20 ℃ lebih rendah dari suhu penyadapan setelah menambahkan B dan Ce;

(2) Isi ruang vakum dengan gas argon dengan kemurnian tinggi hingga tekanan 13-27kPa;

(3) Tambahkan magnesium dalam bentuk paduan antara berbentuk balok yang mengandung magnesium ke dalam lelehan logam;

(4) Segera aduk kuat-kuat setelah menambahkan magnesium, dan hindari mengaduk terlalu lama untuk mengurangi hilangnya magnesium. Baja harus diketuk dalam waktu 1-5 menit setelah menambahkan magnesium.

3.6.2 Dephosphorisasi Potensial Oksigen Rendah

Saat melebur baja paduan, terutama saat menggunakan bahan balik sebagai muatan tungku, perlu untuk mengontrol potensi oksigen dari gas tungku dan terak selama proses peleburan dan pemurnian untuk mengurangi hilangnya elemen paduan. Oleh karena itu, metode pengoksidasi tidak dapat digunakan untuk menghilangkan fosfor selama proses peleburan. Jika diperlukan baja rendah fosfor, hanya bahan baku dengan kandungan fosfor yang lebih rendah dari persyaratan spesifikasi yang dapat digunakan, sehingga meningkatkan biaya produksi. Untuk mengatasi masalah defosforisasi selama peleburan bahan balik baja paduan tinggi, teori dan praktik defosforisasi potensial oksigen rendah telah diusulkan dalam beberapa tahun terakhir dan juga telah diterapkan dalam peleburan tungku induksi.

Kalsium dan fosfor dalam baja dapat bereaksi di bawah kondisi deoksidasi dan desulfurisasi cairan baja yang cukup sebagai berikut:

3Ca + 2 [P] = Ca₃P₂ (3-3)

Produk yang terbentuk adalah kalsium fosfida. Kalsium yang terlibat dalam reaksi dapat berupa kalsium logam, paduan kalsium (seperti paduan silikon-kalsium), atau senyawa kalsium (seperti CaC2). Karena titik leleh yang rendah (839 ℃), tekanan uap yang tinggi (P = 1,775 × 105 Pa pada 1600 ℃), dan kelarutan yang rendah dalam cairan baja kalsium logam, maka kalsium logam dengan cepat menguap ke dalam bentuk uap setelah ditambahkan ke dalam cairan baja dan mengapung ke atas dan ke luar dalam bentuk gelembung. Selama proses pengapungan, uap kalsium dapat bereaksi dengan fosfor dalam baja untuk menghasilkan Ca3P2, tetapi tingkat pemanfaatan kalsium sangat rendah. Paduan atau senyawa kalsium biasanya digunakan sebagai gantinya.

Ca₃P₂ yang dihasilkan oleh reaksi tersebut adalah senyawa yang tidak larut dalam cairan baja, dengan titik leleh 1320 ℃ dan densitas 3,3 g/cm³. Senyawa ini akan mengapung dalam bentuk cair dan masuk ke dalam terak pada suhu pembuatan baja. Namun, kalsium fosfida tidak stabil dalam kondisi pembuatan baja dan merupakan zat pereduksi yang kuat. Ketika potensi oksigen atmosfer tungku tinggi dan terdapat oksida yang mudah tereduksi dalam terak, maka reaksi berikut akan terjadi:

(Ca)₃P₂) + 4O₂  = 3 (CaO) + (P₂O₅) ； （3-4）

 y (Ca₃P₂) + 8 (Saya_xO_y) = 3y (CaO) + y (P₂O₅) + 8x [Me] (3-5)

Ketika ada uap air di dalam gas tungku:

  (Ca)₃P₂)十3H₂O= 3 (CaO) + 2PH3 ↑; (3-6)

PH3 adalah gas yang akan menghilangkan fosfor dengan gas tungku ketika ada uap air, tetapi gas ini beracun, dan tindakan pencegahan harus dilakukan untuk mencegah reaksi ini terjadi selama operasi. Langkah-langkah khusus harus diambil untuk memastikan keamanan saat memproses terak tungku yang mengandung Ca₃P₂. Ketika terak memiliki alkalinitas tinggi, CaO.P₂O₅ dengan stabilitas yang lebih tinggi akan diproduksi.

3 (CaO) + (P₂ O₅) = (3 CaO^.P₂ O₅) （3-7）

Namun demikian, baik kalsium silikon maupun CaC₂ yang digunakan untuk defosforisasi potensial oksigen rendah memiliki sifat pereduksi yang kuat. Oleh karena itu, ketika ada kelebihan kalsium silikon atau CaC₂ di dalam terak, kalsium fosfat akan terurai dan P₂O₅ akan berkurang, menyebabkan fosfor kembali ke baja dan mengurangi efisiensi defosforisasi di bawah potensial oksigen rendah.

Dalam operasi aktual, mempertahankan potensi oksigen rendah dari baja dan membuang terak yang mengandung fosfor secara tepat waktu adalah kunci untuk meningkatkan efisiensi defosforisasi kalsium. Saat menambahkan kalsium, tindakan pencegahan harus dilakukan untuk mencegah gasifikasi kalsium yang keras, yang dapat menyebabkan percikan. Ketika CaC₂ digunakan sebagai agen defosforisasi, diperlukan untuk menutup wadah dan mengisinya dengan gas pereduksi atau inert untuk menghindari oksidasi CaC₂ di dalam terak. Dalam peleburan Cr₁₂Baja cetakan MoV, jumlah bubuk yang digunakan adalah 10-15 kg / t, dan tingkat defosforisasi sekitar 0,005%. Setelah penyemprotan bubuk berakhir, segera keluarkan terak dan buat terak baru.

3.6.3 Hembusan Argon

Hembusan argon di dalam ladle sudah menjadi teknologi yang matang dalam peleburan baja biasa dan baja paduan rendah. Teknologi ini bergantung pada penggelembungan gelembung argon untuk mengaduk baja cair, mendorong reaksi karbon-oksigen, mematuhi dan mendorong tumbukan, pertumbuhan, dan penggelembungan inklusi di permukaan gelembung, dan juga dapat menghilangkan gas dalam kondisi tertentu.

Ketika kemurnian argon tinggi dan sangat kering, meniupkan argon dapat menghilangkan beberapa gas, terutama hidrogen. Ketika waktu peniupan argon sekitar 20 menit, laju dehidrogenasi dapat mencapai sekitar 50%. Elemen jejak berbahaya dengan tekanan uap tinggi pada suhu pembuatan baja, seperti timbal dan arsenik, juga dapat dihilangkan hingga tingkat yang berbeda melalui hembusan argon. Menurut laporan, meniupkan argon selama 20 menit dapat menghilangkan 70-80% timbal dalam baja, tetapi tingkat penghilangan arsenik hanya 10%.

3.6.4 Injeksi Serbuk

Metalurgi injeksi serbuk adalah teknologi baru yang dikembangkan baru-baru ini untuk memurnikan baja cair. Injeksi serbuk sendok telah banyak digunakan dalam produksi pembuatan baja konvensional, dan agen serbuk yang berbeda dapat digunakan untuk menyelesaikan tugas metalurgi seperti defosforisasi, desulfurisasi, deoksidasi, mengontrol morfologi inklusi, paduan atau penambahan karbon. Teknologi injeksi serbuk pada dasarnya adalah teknologi yang menambahkan material padat ke dalam baja cair.

Karena serbuk diangkut oleh gas pembawa, gas pembawa yang masuk bersamaan dengan serbuk akan menyebabkan agitasi lelehan, sehingga meningkatkan kondisi kinetik reaksi metalurgi. Oleh karena itu, injeksi serbuk lebih efektif daripada teknologi penambahan bahan padat tradisional. Tentu saja, teknik penambahan ini juga dapat digunakan untuk peleburan tungku induksi.

Dalam peleburan tungku induksi, agen defosforisasi (paduan kalsium atau senyawa kalsium) atau agen desulfurisasi dapat ditiup. Agen desulfurisasi yang umum digunakan terutama adalah bubuk berbasis kapur (w (CaO) 60-80%, w (CaF₂) 20-40%). Agen desulfurisasi ini mudah diperoleh, murah, dan tidak berpengaruh pada kontrol komposisi baja cair, dan laju desulfurisasi sekitar 30-50%.

Agen desulfurisasi lain yang banyak digunakan adalah Ca-Si-CaF₂ (di mana w (CaF₂) adalah 20-30%), sebagian besar silikon dalam zat desulfurisasi ini akan diserap oleh baja cair, yang dapat meningkatkan kandungan silikon, dan laju desulfurisasi dapat mencapai 40-80%. Untuk baja yang tidak memerlukan penambahan karbon, efek desulfurisasi yang baik juga dapat dicapai dengan menambahkan proporsi CaC2 tertentu ke agen desulfurisasi berbasis kapur.

Gas argon dalam kemasan biasanya digunakan sebagai gas pembawa untuk injeksi bubuk. Nitrogen juga dapat digunakan untuk grade baja yang tidak memerlukan kandungan nitrogen, yang dapat mengurangi biaya. Tekanan kerja umumnya 0,2-0,3 MPa. Di bawah premis untuk memastikan pengiriman bubuk yang seragam, tekanan kerja harus diminimalkan sebanyak mungkin. Pipa baja dengan bahan tahan api eksternal digunakan sebagai pistol injeksi dan dimasukkan ke kedalaman yang sama dengan kedalaman kolam lelehan dikurangi kedalaman penetrasi.

3.6.5 Dekarburisasi Argon-oksigen

United Carbide Corporation dari Amerika Serikat mempelajari hubungan kesetimbangan sistem kuaterner Fe-Cr-C-O dalam tungku induksi dan menemukan bahwa ada hubungan yang sesuai antara kandungan karbon dan kromium yang dilarutkan dalam besi dan tekanan parsial karbon monoksida (PCO) dalam fasa gas dengan suhu. Di bawah kandungan kromium tertentu, kandungan karbon kesetimbangan menurun dengan kenaikan suhu atau penurunan PCO dalam fase gas. Oleh karena itu, selama PCO yang bersentuhan dengan baja cair dapat dikurangi, karbon dalam baja cair dapat dikurangi ke tingkat yang rendah pada suhu yang tidak terlalu tinggi, dan kromium tidak akan mengalami kehilangan oksidasi yang terlalu banyak.

Berdasarkan hal ini, metode AOD untuk mengencerkan tekanan parsial PCO dengan argon diusulkan, yaitu dekarburisasi hembusan gas campuran argon-oksigen. Metode ini mengatasi kelemahan suhu tinggi, kehilangan kromium yang besar, peningkatan kandungan karbon dari elektroda grafit, umur lapisan tungku yang rendah, dan konsumsi besar besi kromium rendah karbon atau kromium logam saat peleburan baja tahan karat kromium dengan hembusan oksigen dalam tungku busur, dan telah dikembangkan dengan cepat dan digunakan secara luas.

Karena metode AOD dikembangkan pada tungku induksi, metode dekarburisasi argon-oksigen juga harus diterapkan pada peleburan tungku induksi. Saat melebur baja tahan karat kromium atau nikel-kromium dalam tungku induksi, gas campuran argon-oksigen dapat dihembuskan untuk menghilangkan karbon dari baja.

4. Peleburan Terak Listrik

4.1 Peralatan Peleburan Terak Listrik dan Prinsip Dasar

Peleburan terak listrik (ESR) adalah metode pemurnian sekunder yang banyak digunakan untuk produksi baja dan paduan berkualitas tinggi. Proses ini memanfaatkan panas yang dihasilkan dari hambatan listrik terak untuk melebur kembali elektroda yang dapat dikonsumsi di dalam alat kristalisasi berpendingin air. Dibandingkan dengan peleburan busur elektroda habis pakai vakum, ESR tidak memerlukan sistem vakum dan sering kali menggunakan sumber daya AC, sehingga menjadikannya proses yang lebih sederhana dan mudah dioperasikan dengan ingot yang ringkas dan berkualitas tinggi.

4.1.1 Peralatan Peleburan Terak Listrik

Dibandingkan dengan peleburan busur elektroda habis pakai vakum, peralatan peleburan terak listrik relatif sederhana dan terdiri dari beberapa komponen, termasuk trafo daya dan perangkat korsleting, sistem pengangkatan elektroda habis pakai, alat pengkristal dengan tangki air bawah, sistem pengukuran dan kontrol, serta sistem suplai dan pembuangan debu. Di sini, kami hanya akan memperkenalkan trafo daya, alat pengkristal, tangki air bawah, dan berbagai jenis tungku terak listrik.

(1) Transformator Daya

Fitur unik dari proses peleburan terak listrik adalah penggunaan sumber daya AC atau DC arus tinggi dan tegangan rendah. Oleh karena itu, perlu untuk memilih trafo yang sesuai untuk mengubah input tegangan tinggi menjadi output tegangan rendah (40-100V) yang sesuai dengan kapasitas tungku terak listrik.

(2) Alat pengkristal

Alat pengkristal adalah komponen terpenting dari tungku terak listrik. Selama proses ESR, elektroda yang dapat dikonsumsi meleleh di dalam alat kristalisasi, dan logam cair secara paksa didinginkan dan dikristalisasi untuk membentuk ingot atau pengecoran logam. Alat kristalisasi adalah ruang peleburan tungku dan cetakan untuk pemadatan logam. Alat ini memiliki bentuk dan struktur yang kompleks, dan ada tiga jenis utama: kristalisasi tipe ingot, kristalisasi tipe geser, dan kristalisasi tipe gabungan (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4-4).

Elektroda 1-Habis Pakai; Kolam Terak 2; Kolam Peleburan 3-Logam; Ingot 4-Logam;

1-3 Kristalizer Mode Ingot;

4-5 Alat Kristalisasi Tipe Geser; 5 Alat Kristalisasi; Kotak Air 6-Bawah

6-7 Tipe yang Dapat Dilepas; Tipe 8-Ponsel

4.1.2 Prinsip Dasar Peleburan Ulang Busur Listrik

(1) Prinsip dasar peleburan ulang

Selama proses peleburan busur listrik, arus melewati elektroda habis pakai, terak, kolam lelehan logam, ingot logam yang dipadatkan, dan kotak air bawah, dan akhirnya mengalir melalui korsleting, trafo, dll., Membentuk sebuah lingkaran (lihat Gambar 4-6). Untuk tungku busur listrik seri bipolar, arus mengalir dari salah satu elektroda yang dapat dikonsumsi melalui terak (sebagian kecil arus juga mengalir melalui kolam lelehan logam, dan kemudian kembali ke terak), kemudian melewati elektroda yang dapat dikonsumsi lainnya, dan akhirnya kembali ke trafo untuk membentuk loop.

Proses peleburan ulang busur listrik meliputi pembentukan kolam terak, peleburan elektroda yang dapat dikonsumsi, pemadatan logam yang dilebur ulang, dan perbaikan serta penyusutan ingot yang dilebur ulang, yang semuanya dilakukan dalam prosedur kerja yang berkelanjutan.

Ketika arus melewati terak, karena resistansi terak yang tinggi, pemanasan Joule yang kuat dihasilkan di kolam terak. Panas Q yang diendapkan dalam kolam terak per satuan waktu dinyatakan sebagai berikut:

  Q = I²R (4-1)

Dimana: Q - Joule panas yang dihasilkan per satuan waktu, J/s;

I - intensitas arus dari terak penghantar listrik, A;

R - resistansi kolam terak pada suhu leleh, Ω.

Saat elektroda habis pakai dimasukkan ke dalam lapisan terak, bagian penyisipan elektroda habis pakai dipanaskan oleh suhu terak yang tinggi dan melebihi titik lelehnya sendiri. Akibatnya, lapisan permukaan ujung elektroda mulai meleleh, membentuk lapisan tipis logam cair, yang menempel pada bagian atas ujung elektroda. Pada saat yang sama, di bawah aksi gravitasi g, gaya elektromagnetik R, dan gaya gerusan gerakan kolam terak F, mengalir ke bawah di sepanjang permukaan ujung elektroda dan terkonsentrasi di bagian tengah elektroda untuk membentuk tetesan cair. Gravitasi menyebabkan tetesan cair jatuh ke bawah, sementara tegangan antarmuka δ antara terak dan tetesan cair mencegah tetesan cair jatuh (lihat Gambar 4-7).

Peleburan elektroda habis pakai dan transisi tetesan logam selama proses peleburan ulang dapat dibagi ke dalam tiga tahap berikut ini:

1) Film logam cair terbentuk di ujung elektroda habis pakai;

2) Diagregasi menjadi tetesan cair dan dialihkan ke kolam lelehan logam melalui lapisan terak;

3) Memasuki permukaan kolam lelehan logam.

1 - kolam terak; 2 - lapisan cairan yang meleleh; 3 - kolam lelehan logam; 4 - kulit terak; 5 - ingot terak listrik; 6 - pengkristal;

7 - kotak air bawah; 8 - trafo; 9 - korsleting; 10 - dudukan; 11 - elektroda habis pakai

4.2 Keuntungan Peleburan Ulang Busur Listrik

Dibandingkan dengan metode peleburan pada umumnya, proses peleburan ulang busur listrik berbeda karena proses peleburan ulang, termasuk pembentukan kolam terak, peleburan elektroda yang dapat dikonsumsi, pemadatan logam yang dilebur ulang, serta perbaikan dan penyusutan ingot yang dilebur ulang, dilakukan dalam prosedur kerja yang berkelanjutan. Oleh karena itu, ia memiliki serangkaian keunggulan.

(1) Logam yang dilebur kembali dapat dimurnikan secara efektif oleh terak.

(2) Memperbaiki kondisi kristalisasi ingot logam dan meningkatkan hasil logam.

(3) Peralatannya sederhana, biaya produksinya rendah, dan pengoperasiannya mudah dikuasai.

(4) Terdapat banyak variasi produk dan kisaran aplikasi yang luas.

(5) Peleburan busur listrik juga memiliki keunggulan utama, yaitu dapat menghasilkan ingot logam dengan penampang yang berbeda, seperti bulat, persegi, persegi panjang, dan ingot logam dengan rasio lebar-panjang yang besar. Selain itu juga dapat menghasilkan pipa berongga dan coran dengan berbagai bentuk, seperti tabung kosong berongga, billet gilingan gulung, bejana bertekanan tinggi, katup bertekanan tinggi yang besar, dan poros engkol.

Namun, terdapat beberapa kelemahan pada peleburan busur listrik, seperti produktivitas yang rendah, konsumsi listrik yang tinggi, efek degassing yang buruk, kesulitan untuk mengontrol komposisi kimia secara akurat ketika melebur baja dengan unsur Ti dan Al yang tinggi, dan biaya produksi yang lebih tinggi dibandingkan dengan metode peleburan pada umumnya.

4.3 Pemilihan Bahan Baku, Sistem Terak, dan Parameter Proses untuk Peleburan Busur Listrik

4.3.1 Bahan Baku untuk Peleburan Busur Listrik

(1) Elektroda Habis Pakai

Elektroda habis pakai yang digunakan dalam peleburan busur listrik umumnya adalah ingot logam yang dilebur oleh tungku busur atau tungku induksi, yang dibuat menjadi batang logam setelah digulung atau ditempa. Penampangnya bisa berbentuk lingkaran, persegi, atau persegi panjang, dan variasinya harus sama dengan produk jadi setelah peleburan ulang. Untuk menghindari oksidasi dan pembakaran elemen yang mudah teroksidasi selama proses peleburan ulang, permukaan elektroda yang dapat dikonsumsi harus bebas dari karat dan kulit oksida, terutama saat peleburan ulang baja dan paduan yang mengandung Al, Ti, B, dan elemen lainnya. Selama proses peleburan ulang, kecuali elemen yang mudah teroksidasi (seperti Ti, Al, dll.) yang dapat dibakar, elemen lain pada dasarnya tidak berubah. Untuk elemen yang mudah teroksidasi ini, elemen tersebut harus dikontrol dalam kisaran tertentu saat menyiapkan elektroda yang dapat dikonsumsi sesuai dengan jumlah pembakaran selama proses peleburan ulang. Untuk menghindari eksentrisitas elektroda yang dapat dikonsumsi selama proses peleburan ulang, elektroda tersebut harus dibuat selurus mungkin, dengan radius tikungan tidak melebihi 6mm per meter.

(2) Pelat pelindung ingot

Pada awal peleburan ulang, untuk mencegah agar kotak air bawah tidak terbakar, pelat logam yang disebut pelat pelindung ingot dapat ditempatkan di bawah alat kristalisasi dan di atas kotak air bawah. Pelat pelindung ingot terbuat dari bahan yang sama dengan elektroda yang dapat dikonsumsi. Permukaan pelat pelindung ingot tidak boleh memiliki kulit oksida dan karat, dan harus sangat rata, untuk memastikan kontak yang erat dengan permukaan kotak air bawah dan mencapai efek konduktif yang baik. Ketebalan pelat pelindung ingot umumnya dipilih 12-18mm.

(3) Bahan terak pengapian

Seperti yang kita semua tahu, saat peleburan busur listrik, terak cair memiliki konduktivitas tertentu. Ketika bahan terak padat, konduktivitasnya buruk dan tidak dapat digunakan untuk menghantarkan panas dan membentuk kolam terak secara langsung. Jika terak padat digunakan sebagai bahan terak penyalaan, terak dengan konduktivitas yang cukup dalam keadaan padat harus ditemukan. Dalam praktiknya, telah ditemukan bahwa ketika terak padat mengandung sejumlah TiO₂dapat memenuhi persyaratan ini. Oleh karena itu, untuk jangka waktu yang cukup lama, terak padat yang mengandung TiO₂ digunakan sebagai bahan terak pengapian untuk peleburan busur listrik.

(4) Melebur kembali bahan terak

Terak memainkan peran penting dalam proses peleburan busur listrik. Sistem terak yang umum digunakan terutama terdiri dari fluorit (CaF₂), alumina (Al₂O₃), kapur (CaO), dan magnesium (MgO), dll. (lihat Tabel 4-1).

4.3.2 Pemilihan Parameter Proses untuk Peleburan Busur Listrik

(1) Ukuran ingot terak listrik

Hubungan antara berat dan ukuran ingot memenuhi Persamaan 4-2.

Berat spindel-G, t; diameter spindel-D, cm; tinggi spindel-h, cm; berat jenis logam yang dilebur, g/cm³.

Tabel 4-1: Sistem terak yang umum dan densitasnya dalam kondisi cair, serta titik lelehnya.

(2) Dimensi alat kristalisasi dan elektroda konsumsi sendiri

Diameter D alat kristalisasi ditentukan oleh rumus berikut:

di mana D adalah diameter rata-rata alat kristalisasi dalam milimeter (mm); D_pro adalah diameter produk dalam milimeter (mm); M adalah kelonggaran pemesinan untuk blanko (untuk ingot, M = 0; untuk coran, M = 10-15 mm); δ% adalah penyusutan ingot (umumnya 3 ± 0,5%).

Ketinggian H dari alat kristalisasi ditentukan oleh rumus berikut ini:

Jika D lebih besar dari 300mm, maka H harus diambil sebagai batas bawah.

Diameter elektroda d_pole yang memakan sendiri dapat ditentukan dengan rumus empiris berikut, yang bergantung pada diameter D dari alat kristalisasi:

di mana K adalah rasio pengisian, biasanya dipilih dari 0,4-0,6; d_pole adalah diameter elektroda konsumsi sendiri dalam milimeter (mm); D adalah diameter alat pengkristal dalam milimeter (mm).

Saat ini, berbagai negara di seluruh dunia memilih rasio pengisian K yang berbeda berdasarkan situasi aktual mereka. Nilai K yang lebih besar lebih baik untuk mengurangi konsumsi energi, meningkatkan produktivitas, dan meningkatkan kualitas ingot, sekaligus memastikan kualitas logam yang dilebur kembali dan pengoperasian yang aman. Diameter elektroda konsumsi sendiri tidak boleh terlalu besar, karena hal ini akan memengaruhi keselamatan operasi.

Panjang L_pole dari elektroda konsumsi sendiri dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:

di mana G adalah massa ingot logam dalam ton (t); n adalah jumlah elektroda yang dikonsumsi sendiri yang diperlukan untuk menghasilkan satu ingot logam; γ adalah massa jenis logam yang dilebur kembali, yang umumnya diambil sebagai 7,9 g / cm3 untuk baja biasa; Z adalah massa jenis elektroda, yang diambil sebagai 0,95 untuk elektroda tuang dan kurang lebih sama dengan 1 untuk elektroda yang ditempa dan digulung; ΔL adalah panjang ekor elektroda, yang harus ditentukan berdasarkan elektroda menjepit Metode ini, umumnya diambil sebagai (2-3) d.

(3) Tegangan peleburan

Tegangan peleburan mengacu pada jumlah tegangan kerja dan penurunan tegangan pada saluran selama peleburan. Tegangan kerja mendekati tegangan lapisan terak dan lebih akurat merepresentasikan tegangan yang sebenarnya. Ini menentukan kedalaman perendaman elektroda yang memakan sendiri, mempengaruhi pembentukan kristal aksial ingot yang memuaskan dan kualitas permukaan, dan terkait dengan tingkat oksidasi elemen. Meningkatkan tegangan mulut tungku dengan benar dapat menghaluskan tetesan cairan, meningkatkan suhu terak, dan mendorong pertumbuhan kristal aksial ingot. Umumnya, untuk sistem terak dengan konduktivitas yang baik dan resistansi rendah, tegangan kerja yang lebih rendah harus dipilih. Saat melebur paduan yang mengandung elemen yang mudah teroksidasi seperti Al, Ti, dan baja atau paduan yang rentan terhadap pemisahan, tegangan kerja yang lebih rendah juga harus dipilih. Tegangan kerja dapat dipilih dengan menggunakan rumus empiris berikut:

di mana U adalah tegangan kerja dalam volt (V); D adalah diameter alat kristalisasi dalam sentimeter (cm); B adalah konstanta, diambil sebagai 27-37V.

(4) Arus peleburan

Arus peleburan merupakan parameter penting yang memiliki dampak signifikan terhadap kualitas produk serta indikator ekonomi dan teknis. Meningkatkan arus peleburan menyebabkan kedalaman pencelupan yang lebih besar dari elektroda yang mengkonsumsi sendiri, yang merugikan kristal aksial ingot. Arus peleburan terutama ditentukan oleh luas penampang elektroda konsumsi sendiri dan kerapatan arus.

I = A*J (4-8)

di mana A adalah luas penampang elektroda konsumsi sendiri dalam milimeter persegi (mm2); J adalah kerapatan arus dalam ampere per milimeter persegi (A/mm2).

Kerapatan arus J dapat dipilih dengan menggunakan rumus empiris berikut ini:

di mana d adalah diameter elektroda konsumsi sendiri dalam milimeter (mm).

(5) Daya input

Daya input digunakan untuk memeriksa apakah nilai tegangan dan arus sudah sesuai atau untuk memberikan dasar dalam memilih trafo untuk peralatan. Daya input ditentukan berdasarkan daya input volume kolam terak unit. Jika D = 400-800mm, daya input efektif adalah 0,15-0,30KW / cm²jika D = 200-400mm, daya input efektif adalah 0,30-0,60KW / cm²jika D <200mm, daya input efektif lebih besar dari 0,60KW / cm².

(6) Jumlah terak dan kedalaman kolam terak

Jumlah terak ditentukan dengan menggunakan rumus berikut, dengan sistem dan kepadatan terak yang umum digunakan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4-3:

di mana G adalah berat terak dalam kilogram (kg); D adalah diameter alat kristalisasi dalam sentimeter (cm); h adalah kedalaman kolam terak dalam sentimeter (cm); γ adalah massa jenis logam yang dilebur kembali dalam kilogram per sentimeter kubik (kg/cm)³).

Kedalaman kolam terak dapat ditentukan dengan menggunakan rumus empiris berikut ini:

Ambil batas atas saat D ≤250mm, dan ambil batas bawah saat D> 350mm. Menurut literatur, jumlah terak untuk tungku listrik fase tunggal di Cina adalah 30-40kg / t, jumlah terak untuk tungku listrik tiga fase di Cina adalah 60-70kg / t, dan jumlah terak di luar negeri adalah 3-5% dari berat ingot.

(7) Suhu air pendingin

Untuk mendorong kristalisasi ingot dan mencegah kecelakaan, intensitas pendinginan yang lebih tinggi diperlukan untuk alat kristalisasi dan tangki air bawah. Tekanan air pendingin biasanya harus 1,5-2,0 kg/mm2, dan suhu air keluar alat kristalisasi harus dikontrol pada 40-60 ℃.

4.4 Karakteristik metalurgi peleburan terak listrik (Pelajaran 11)

Proses peleburan terak listrik meliputi pembentukan kolam terak, peleburan elektroda konsumsi sendiri, pemadatan logam yang dilebur kembali, serta penambahan dan penyusutan ingot yang dilebur kembali. Proses-proses ini dilakukan dalam prosedur kerja yang berkesinambungan.

4.4.1 Pembentukan kolam terak peleburan terak listrik

(1) Fungsi terak

Sumber panas untuk proses peleburan ulang.

Penyempurnaan yang efektif.

Melindungi logam yang dilebur kembali dengan lapisan terak.

Selain itu, selama proses pemadatan logam yang dilebur kembali, cangkang terak yang tipis dan seragam terbentuk di permukaan ingot, melindungi kristalisasi dari kontak langsung dengan terak bersuhu tinggi dan membuat permukaan ingot halus dan mudah dibentuk.

(2) Sifat-sifat terak

Konduktivitas listrik tertentu.

Viskositas dan titik leleh yang rendah.

Tekanan uap rendah.

Tegangan antarmuka terak yang sesuai.

Kepadatan terak sedang.

Permeabilitas terak yang sesuai.

(3) Pemilihan sistem terak

Terak harus dipilih berdasarkan analisis sifat fisik terak yang disebutkan di atas. Sistem terak yang umum digunakan ditunjukkan pada Tabel 4-1.

Titik leleh sistem terak harus 100-200 ℃ lebih rendah dari pada logam yang dilebur kembali, dan viskositas terak juga harus kecil. Ini akan memungkinkan aliran terak yang baik selama proses peleburan ulang, yang bermanfaat untuk desulfurisasi dan penghilangan inklusi non-logam. Ini juga akan membantu membentuk cangkang terak yang tipis dan seragam pada permukaan ingot, memfasilitasi pemadatan ingot dan mendapatkan permukaan yang halus.

Sistem terak CaF2-CaO memiliki kemampuan desulfurisasi yang signifikan, dan kemampuan desulfurisasi meningkat seiring dengan peningkatan kebasaan terak. Saat melebur ulang baja potong bebas yang mengandung sulfur, operasi terak asam dengan R<1 diperlukan untuk memastikan kandungan sulfur dalam baja.

Selama peleburan terak listrik, lebih baik memiliki lebih sedikit oksida yang tidak stabil (FeO, MnO, dll.) dan oksida logam valensi variabel (MexOy) di dalam terak untuk mencegah peningkatan kandungan [O] di dalam logam dan hilangnya elemen yang terbakar. Ketika melebur baja dan paduan yang mengandung unsur seperti Al, Ti, dan B, terak tidak boleh mengandung SiO2.

Karena oksida logam alkali seperti Na2O dan K2O memiliki titik leleh yang rendah dan mudah menguap, terak tidak boleh mengandung oksida-oksida ini.

(4) Pembentukan kolam terak

Pada awal proses peleburan ulang, kolam terak yang dilebur ulang harus segera dibuat untuk memastikan kelancaran proses peleburan ulang terak listrik. Ada dua metode untuk membuat kolam terak: metode busur yang terlihat dan metode busur yang tidak terlihat, dengan metode yang terakhir terutama digunakan dalam produksi saat ini. Dalam metode busur tak terlihat, metode pengapian terak konduktif padat dan metode terak cair terutama digunakan.

4.4.2 Peleburan elektroda yang dapat dikonsumsi sendiri

Selama proses penetesan tetesan logam yang dilebur kembali, karakteristik transisi terutama dimanifestasikan sebagai frekuensi tetesan dan ukuran diameter tetesan, yang memiliki pengaruh yang cukup besar pada penghalusan logam.

Pertama, komposisi terak memiliki pengaruh yang signifikan pada ukuran tetesan. Ketika menggunakan elektroda konsumsi mandiri baja ЭП65 dengan diameter d_pole = 200mm, diameter crystallizer D_pro = 425mm, dan sistem terak CaF2-Al2O3 dengan jumlah Al2O3 yang ditambahkan berbeda untuk peleburan ulang, perubahan kualitas tetesan tercantum dalam Tabel 4-2.

Tabel 4-2 Perubahan dalam Fusi Tetesan.

Selain itu, terdapat hubungan tertentu antara kedalaman kolam terak dengan frekuensi dan ukuran tetesan. Ketika elektroda konsumsi mandiri berpenampang kecil digunakan, peningkatan kedalaman kolam terak menyebabkan penurunan frekuensi penurunan tetesan dan peningkatan diameter tetesan (lihat Tabel 4-3).

Tabel 4-3 Hubungan antara Kedalaman Kolam Terak, Frekuensi Tetesan, dan Diameter Tetesan.

Catatan: Kecepatan pengangkatan elektroda adalah 1,55 m/jam; tegangan 45V.

Stabilitas proses peleburan ulang dalam produksi electroslag berkaitan erat dengan kecepatan turunnya elektroda konsumsi sendiri. Ketika elektroda turun secara perlahan, proses electroslag bertransisi ke proses busur. Pada saat ini, ujung elektroda rata, dan tetesan biasanya terdistribusi di tepi permukaan elektroda (lihat Gambar 4-18a). Pada saat tetesan jatuh, lengkung dapat diamati, dan proses electroslag tidak stabil. Ketika kecepatan turun elektroda ditingkatkan, tonjolan berbentuk kerucut muncul di ujung elektroda (lihat Gambar 4-18b), dan tetesan terbentuk di tengah ujung elektroda (ujung tonjolan). Dengan peningkatan lebih lanjut dalam kecepatan turun elektroda, ukuran bagian kerucut elektroda yang dimasukkan ke dalam terak meningkat, dan cekungan permukaan lateral kerucut berkurang.

Gambar 4-8 Karakteristik Peleburan Elektroda

a - Kecepatan turun elektroda rendah; b - Kecepatan turun elektroda sedang; c - Kecepatan turun elektroda tinggi.

Dengan peningkatan lebih lanjut dalam kecepatan turun elektroda, permukaan lateral badan kerucut di ujung elektroda menjadi cembung, dan beberapa bagian silinder elektroda juga terkubur dalam kolam terak. Pada saat ini, dengan meningkatnya kecepatan turun elektroda, peningkatan arus yang lambat dapat diamati (lihat Gambar 4-19).

Gambar 4-9 Hubungan antara Kecepatan Turun Elektroda dan Arus

1 - Diameter elektroda 180mm, U=80V; 2 - Diameter elektroda 180mm, U=51V;

3 - Diameter elektroda 100mm, U = 51V; 4 - Diameter elektroda 80mm, U = 51V;

Ketika kecepatan turun elektroda terlalu cepat, lengkung periodik terjadi antara ujung elektroda dan permukaan kolam logam cair karena pelepasan tetesan, yang mengakibatkan pendidihan di dasar kolam terak. Kadang-kadang, korsleting dapat terjadi antara elektroda dan kolam logam cair, sehingga proses peleburan menjadi tidak stabil.

Singkatnya, ketika menggunakan elektroda penampang besar untuk peleburan ulang electroslag, ujung elektroda harus berbentuk kerucut biasa, yang membuat proses peleburan ulang menjadi paling stabil.

4.4.3 Pemadatan Logam yang Dilebur Kembali

Perbedaan antara proses pemadatan ingot electroslag dan proses konvensional metode pengecoran adalah sebagai berikut:

(1) Pemisahan ingot yang dilebur kembali dengan electroslag lebih kecil dibandingkan dengan metode lainnya;

(2) Selama proses peleburan ulang electroslag, logam cair baru dapat secara terus menerus disuplai ke bagian dalam crystallizer melalui peleburan terus menerus dari elektroda konsumsi sendiri, sementara hal ini tidak diperlukan pada pengecoran cetakan biasa;

(3) Terdapat cangkang terak tipis pada permukaan ingot electroslag, yang membuat laju pendinginan aksial jauh lebih besar daripada laju pendinginan radial, dan struktur kristal cenderung bersifat aksial;

(4) Struktur kristal dari ingot electroslag tidak hanya terkait dengan cangkang terak pada permukaan ingot tetapi juga dengan bentuk kolam logam cair.

Praktik telah membuktikan bahwa faktor utama yang memengaruhi pembentukan bentuk kolam logam cair meliputi kecepatan turun elektroda konsumsi sendiri, arus kerja, tegangan kerja, kedalaman kolam terak, dan konduktivitas termal logam yang dilebur kembali.

4.4.4 Kompensasi Penyusutan, Demolding, dan Pendinginan

Penyusutan Kompensasi: Kompensasi penyusutan harus dilakukan 10-15 menit sebelum akhir proses peleburan ulang untuk memastikan ingot yang halus tanpa lubang penyusutan dan meningkatkan hasil ingot logam.

Demolding dan Pendinginan: Setelah peleburan ulang selesai, ingot logam harus dibiarkan dingin selama 10 menit sebelum demolding. Waktu untuk pendinginan cetakan biasanya ditentukan menurut kelas baja yang berbeda dan ukuran ingot. Setelah demolding, baja paduan umumnya harus didinginkan secara perlahan, dan metode pendinginan lambat termasuk pendinginan udara, pendinginan pasir, pendinginan kap mesin, dan pendinginan lubang.

4.5 Kualitas Metalurgi Peleburan Ulang Electroslag

4.5.1 Desulfurisasi dan Dephosphorisasi dalam Proses Electroslag

Efek desulfurisasi dari peleburan ulang electroslag sangat signifikan, dan tingkat desulfurisasi umumnya dapat mencapai 50-80%, yang merupakan salah satu keuntungan dari peleburan ulang electroslag. Dalam metode pembuatan baja biasa, untuk menghilangkan belerang dari logam secara efektif, kondisi berikut harus dipenuhi:

(1) Terak harus memiliki alkalinitas yang tinggi;

(2) Agar terak mengalir dengan baik, suhu terak harus tinggi;

(3) Antarmuka kontak antara logam dan terak harus dibuat sebesar mungkin.

Ada tiga bentuk desulfurisasi dalam proses peleburan ulang electroslag:

(1) Ini adalah desulfurisasi terak, yang berarti sulfur ditransfer dari logam ke terak.

Rumus reaksinya adalah: [S] + (O^2-)→(S^2-)+[O] (4-12)

Konstanta kesetimbangan reaksi adalah: (4-13)

Oleh karena itu, persamaan 4-13 menghasilkan: 

Jika kandungan ion oksigen dalam terak lebih tinggi dan aktivitas oksigen dalam logam lebih rendah, maka lebih banyak sulfur yang akan berpindah dari logam ke terak. Untuk meningkatkan kandungan ion oksigen dalam terak, terak dengan alkalinitas tinggi dapat digunakan. Dari rumus reaksi kimia desulfurisasi terak, dapat dilihat bahwa ketika sulfur dihilangkan, kandungan oksigen dalam logam akan meningkat.

(2) Selama proses peleburan ulang, desulfurisasi gasifikasi juga dilakukan, yang berarti sulfur ditransfer dari terak ke atmosfer.

(S^2-) + 3/2{O₂} = (O^2-) + {SO₂} (4-15)

Konstanta kesetimbangan reaksi ini adalah:

Persamaan 4-16 menghasilkan:

Dari persamaan 4-17, dapat dilihat bahwa semakin tinggi tekanan parsial oksigen di atmosfer dan semakin rendah aktivitas ion oksigen dalam terak, maka akan semakin menguntungkan untuk desulfurisasi gasifikasi selama proses peleburan. Ada kontradiksi tertentu antara kedua proses reaksi ini. Namun, kedua proses tersebut terjadi dalam sistem yang sama, sehingga efek desulfurisasi akhir harus merupakan hasil yang komprehensif dari interaksi antara kedua reaksi ini.

(3) Belerang dalam logam bertransisi ke terak.

Polaritas arus dan tegangan yang berbeda juga memiliki efek tertentu pada penghilangan sulfur dalam logam. Jika DC terbalik (yaitu, elektroda konsumsi sendiri yang terhubung ke elektroda positif) digunakan, sulfur dalam logam dapat bertransisi ke terak, mencapai hasil desulfurisasi yang lebih baik. Pada dasarnya, tidak ada efek desulfurisasi yang dapat diamati saat menggunakan DC positif. Selama peleburan busur listrik, desulfurisasi gasifikasi menyumbang proporsi yang cukup besar di antara tiga metode desulfurisasi yang disebutkan di atas. Secara keseluruhan, efek desulfurisasi terbaik dicapai dengan menggunakan sumber daya AC dan terak alkalinitas tinggi untuk peleburan ulang dalam kondisi atmosfer. Saat menggunakan sumber daya AC, CaF₂Sistem terak -CaO memiliki efek desulfurisasi terbaik dalam sistem terak fluorida.

Untuk defosforisasi pada logam, metode tradisionalnya adalah dengan menciptakan kondisi "tiga titik tertinggi dan satu titik terendah" (alkalinitas tinggi, kandungan (FeO) tinggi, jumlah terak yang banyak, dan temperatur yang lebih rendah) sebanyak mungkin selama proses peleburan. Namun, dalam proses peleburan busur listrik, sulit untuk mencapai hasil defosforisasi yang baik karena sifat terak yang tidak mengoksidasi dan suhu tinggi dari kolam cair.

4.5.2 Penghapusan Inklusi Non-logam selama Peleburan Busur Listrik

Peleburan ulang busur listrik sangat efektif dalam menghilangkan inklusi non-logam dari logam. Tabel berikut ini menunjukkan perubahan kandungan inklusi non-logam pada baja bantalan bola setelah peleburan ulang busur listrik.

Tabel 4-4 Perubahan Inklusi Oksida pada Baja Bantalan Bola setelah Peleburan Ulang Busur Listrik

Tabel 4-10: Kehilangan pembakaran [Ti] selama peleburan ulang electroslag dalam kondisi yang berbeda.

4.6 Aplikasi Peleburan Ulang Electroslag

(1) Aplikasi baru peleburan ulang electroslag

ESR peleburan ulang elektroslag; Pengecoran elektroslag ESC; Penuangan elektroslag ESP; Cetakan elektroslag yang menuangkan pengecoran kontinu ESMPC; Pengecoran elektroslag sentrifugal CESC;

Pengecoran atas panas elektroslag ESHT; ESRR peleburan elektroslag cepat; Pengelasan elektroslag ESW; Pelapis Elektroslag ES Cladding;

Pembentukan semprotan elektroslag E.S. Osprey; Peleburan elektroslag langsung ESM langsung;

(2) Prospek masa depan untuk produk electroslag

I. Dalam produksi tempa menengah dan besar, peleburan ulang akan berada dalam posisi monopoli.

II. Di bidang baja perkakas berkualitas tinggi, baja matibaja tahan panas tahan panas dupleks, baja berkekuatan sangat tinggi yang mengandung nitrogen, pipa kosong, dan gulungan canai dingin, peleburan ulang electroslag memiliki keunggulan absolut dan akan menggantikan peleburan ulang busur vakum di bidang ini.

III. Di bidang superalloy (paduan suhu tinggi, paduan tahan korosi, paduan presisi, paduan pemanas listrik), peleburan ulang electroslag dan peleburan ulang busur vakum berada dalam situasi yang kompetitif. Pada akhir tahun 1980-an, output dari peleburan electroslag telah melampaui peleburan busur vakum. Banyak material yang mengikuti peleburan busur vakum adalah material lama yang dibatasi oleh evaluasi teknis sebelumnya, sementara material electroslag baru memiliki keunggulan absolut.

IV. Dalam produksi logam non-besi, peleburan electroslag masih dalam tahap awal.

5. Peleburan Ulang Busur Vakum

5.1 Gambaran Umum

Peleburan busur vakum adalah proses yang melibatkan penggunaan busur arus searah yang dihasilkan antara elektroda logam dan kolam logam cair, dalam lingkungan bebas terak dan bertekanan rendah. Efek suhu tinggi dari busur melelehkan elektroda yang memakan sendiri lapisan demi lapisan dan membentuk tetesan cair di ujung elektroda. Tetesan ini memasuki kolam logam cair melalui zona busur suhu tinggi dan dengan cepat dipanaskan oleh busur suhu tinggi, yang mengarah ke pemurnian dan pemurnian, diikuti dengan pemadatan dalam kristalisasi berpendingin air.

Tungku busur vakum dapat menciptakan potensi oksigen rendah dan kondisi peleburan suhu tinggi, sehingga cocok untuk melebur logam tahan api atau logam yang mudah teroksidasi seperti platina, tantalum, dan tungsten. Dengan perkembangan industri mekanik, proses peleburan ulang busur konsumsi mandiri vakum telah berhasil diterapkan dalam produksi paduan titanium dan titanium, paduan presisi, paduan suhu tinggi, dan logam tahan api. Oleh karena itu, proses ini telah berkembang pesat dan bertambah besar sejak tahun 1940-an dan 1950-an. Dalam proses peleburan khusus, peleburan busur vakum adalah salah satu metode utama untuk peleburan ulang dan pemurnian. Diagram skematik peleburan busur vakum ditunjukkan pada Gambar 5-1.

1. 1. Pengkristal tembaga; 2. Platform operasi; 3. Sistem pengamatan optik; 4. Alat pengangkat elektroda; 5. Tiang elektroda; 6. Badan tungku; 7. Elektroda; 8. Sistem vakum; 9. Busur; 10. Batang; 11. Kumparan kontrol listrik.

Tungku busur vakum dapat dibagi menjadi dua kategori: memakan sendiri dan tidak memakan sendiri. Yang terakhir mengacu pada jenis tungku busur vakum yang menggunakan konduktor tahan suhu tinggi seperti elektroda tungsten atau grafit, dan logam yang akan dilebur ditempatkan di crystallizer untuk dilebur dan disempurnakan oleh panas busur.

Selama proses peleburan, elektroda itu sendiri tidak dikonsumsi, atau hanya dikonsumsi secara minimal, sehingga disebut non-self-consuming. Tungku busur yang mengkonsumsi sendiri menggunakan logam yang akan dilebur sebagai elektroda, yang meleleh dan mengalami penyempurnaan pada tingkat tertentu selama proses lengkung, menjadikan jenis tungku busur ini sebagai tungku busur yang mengkonsumsi sendiri. Karena sebagian besar tungku busur vakum yang digunakan dalam produksi baja dan paduan adalah tungku busur yang dapat dikonsumsi sendiri, kecuali ditentukan lain pada bagian selanjutnya, semua referensi akan mengacu pada tungku busur yang dapat dikonsumsi sendiri.

5.2 Pengenalan dan Klasifikasi Struktur Tungku Busur Vakum yang Tidak Memakan Sendiri

5.2.1 Tinjauan Struktural

Ada berbagai jenis tungku busur konsumsi mandiri vakum, tetapi struktur dasarnya sama. Gambar 5-1 menunjukkan tungku busur konsumsi mandiri vakum. Satu set peralatan lengkap untuk tungku busur konsumsi mandiri vakum meliputi badan tungku, peralatan catu daya, sistem vakum, sistem kontrol, sistem observasi, sistem pendingin air, dan komponen lainnya. Diagram skematik prinsip peleburan ulang busur vakum dan diagram skematik struktural tungku busur vakum elektroda yang mengkonsumsi sendiri ditunjukkan pada Gambar 5-2 dan Gambar 5-3.

1. Elektroda pemakan logam; 2. Zona fase gas; 3. Zona kolom busur; 4. Kolam logam cair; 5. Ingot.

1. 1. Kutub negatif; 2. Mekanisme suplai elektroda; 3. Batang penghubung; 4. Selongsong segel geser vakum; 5. Badan tungku; 6. Penjepit; 7. Batang pendek; 8. Elektroda yang dapat digunakan sendiri; 9. Wadah tembaga; 10. Batang tuang; 11. Jaket air; 12. Kutub positif; a. Saluran masuk air pendingin; b. Saluran keluar air pendingin; c. Knalpot pompa vakum.

5.2.2 Klasifikasi Tungku Busur Vakum yang Memakan Sendiri

Ada banyak jenis tungku, yang dapat diklasifikasikan menurut karakteristik tungku busur yang berbeda. Menurut struktur tubuh tungku, itu dapat dibagi menjadi tipe tetap dan berputar. Menurut bentuk ingot, itu dapat dibagi menjadi ingot tetap dan ingot yang ditarik. Menurut mode operasi, ini dapat dibagi menjadi intermiten dan kontinu.

5.3 Proses Peleburan Ulang untuk Baja dan Paduan

5.3.1 Tahapan Peleburan Busur

Proses peleburan busur dapat dibagi menjadi empat tahap: elektroda las, lengkung, peleburan normal, dan topping.

Pengelasan dilakukan dalam ruang hampa udara atau atmosfer pelindung. Lapisan bahan awal busur (biasanya dari jenis chip yang sama) disebarkan di ujung elektroda yang sedang dilas, dan kemudian batang elektroda diturunkan sehingga lengkung terjadi antara elektroda transisi dan elektroda pemakan sendiri. Ketika kedua ujung zona lengkung dipanaskan dan busur stabil dengan sejumlah besar fase cair yang terbentuk, batang elektroda dengan cepat diturunkan untuk membuat kedua ujung zona lengkung bersentuhan dekat dan dilas bersama.

Tujuan lengkung adalah untuk membentuk busur antara elektroda konsumsi sendiri dan bahan awal busur di bagian bawah alat kristalisasi, meningkatkan suhu zona lengkung, dan membentuk kolam logam cair dengan ukuran tertentu di bagian bawah alat kristalisasi, mempertahankan busur yang stabil antara elektroda konsumsi sendiri dan kolam logam cair, dan mentransisikan peleburan kembali elektroda konsumsi sendiri ke dalam periode peleburan normal.

Periode peleburan normal adalah tahap utama dari proses peleburan ulang di mana baja atau paduan dimurnikan dan dipadatkan menjadi ingot. Hal ini menghilangkan gas dan pengotor logam dengan titik lebur rendah dari logam, menghilangkan inklusi non-logam, mengurangi pemisahan, dan mendapatkan struktur kristal yang ideal.

Tujuan topping adalah untuk mengurangi rongga penyusutan di bagian atas ingot yang dilebur kembali, mengurangi porositas zona kontraksi "V" di bagian atas, mendorong pengapungan akhir dan pembuangan inklusi, mengurangi jumlah pemotongan kepala, dan meningkatkan tingkat hasil.

5.3.2 Parameter Proses

(1) Diameter Elektroda Konsumsi Sendiri

Diameter elektroda konsumsi sendiri secara langsung memengaruhi kualitas ingot yang dilebur kembali. Ketika diameternya besar, panas busur didistribusikan secara merata ke seluruh permukaan kolam cair, sehingga kolam cair menjadi rata. Hal ini memudahkan untuk mendapatkan ingot yang dilebur kembali dengan pemisahan kecil, struktur padat, dan orientasi kristal kolumnar yang bermanfaat untuk meningkatkan kinerja pemrosesan termal (sudut antara arah butiran kolumnar dan sumbu ingot kecil). Umumnya, rumus berikut digunakan untuk memilih diameter elektroda:

       d/D = 0,65 ～ 0,85 (5-1)

di mana d adalah diameter elektroda konsumsi sendiri dalam mm, dan D adalah diameter alat kristalisasi dalam mm.

Untuk baja atau paduan, saat ini, d/D umumnya dipilih dalam kisaran 0,7 hingga 0,8. Pilih batas atas untuk ukuran ingot yang lebih besar dan batas bawah untuk ukuran ingot yang lebih kecil.

Selain itu, diameter elektroda juga dapat ditentukan dengan rumus empiris sebagai berikut:

d = D-2δ (5-2)

di mana δ adalah jarak antara elektroda dan alat kristalisasi dalam mm.

Bila elektroda adalah silinder bersegi banyak, nilainya mewakili jarak antara tepi elektroda dan dinding bagian dalam alat kristalisasi. Ketika menentukan nilai δ, harus dipastikan bahwa nilai tersebut lebih besar daripada panjang busur selama peleburan normal, untuk menghilangkan risiko menghasilkan busur tepi.

Selama peleburan ulang logam dan paduan nonferrous atau tahan api, terutama selama peleburan ulang vakum pertama (dengan pelepasan gas dalam jumlah besar), untuk menghilangkan gas sepenuhnya dan memastikan operasi yang aman, δ harus lebih besar dari yang dipilih untuk peleburan ulang baja. Secara umum, δ dipilih dalam kisaran 25 hingga 50 mm, dengan batas atas untuk ukuran ingot yang lebih besar.

Tabel 5-1 Rumus Empiris untuk Menentukan Arus Leleh

Formula	Unit		Rentang Aplikasi	Keterangan
	Aku atau aku	d atau D
	iA/cm2	d mm	Baja, baja paduan, paduan berbasis besi atau nikel.	i- Kepadatan arus  I- Arus leleh  d- Diameter elektroda yang memakan sendiri  D- Diameter kristalisasi
	IA	D mm	Baja, baja paduan D=145～150 d/D = 0,7 ～ 0,8
	IA	d mm	Paduan berbahan dasar besi atau nikel d=10～300 d/D = 0,65 ～ 0,85

(2) Derajat kevakuman:

Derajat vakum memiliki dampak langsung pada deoksidasi, degassing, penguapan elemen, penguraian dan penghilangan inklusi selama proses peleburan ulang, serta perilaku busur dan operasi yang aman. Oleh karena itu, tingkat vakum merupakan parameter proses yang sangat penting. Untuk meningkatkan efek pemurnian, diperlukan peningkatan derajat vakum ruang leleh, tetapi untuk menstabilkan busur, derajat vakum tidak boleh terlalu tinggi, terutama menghindari kisaran tekanan yang akan menyebabkan pelepasan cahaya. Tekanan ruang leleh harus dijaga sekitar 1,3 Pa.

(3) Arus:

Arus peleburan menentukan laju peleburan elektroda yang memakan sendiri dan suhu kolam cair. Arus yang besar menyebabkan suhu busur yang tinggi dan laju peleburan elektroda yang cepat, yang menghasilkan kualitas permukaan yang lebih baik dari ingot yang dilebur kembali. Namun, suhu tinggi dari kolam cair memperdalam kedalaman kolam cair dan menyebabkan arah kristalisasi ingot yang dilebur kembali cenderung ke arah horizontal. Akibatnya, pengembangan longgar dari ingot yang dilebur kembali meningkat, deviasi komposisi meningkat, anisotropi meningkat, dan kinerja pemrosesan termal memburuk.

Ketika arus leleh kecil, meskipun laju lelehnya rendah, bentuk kolam lelehan logam dangkal dan rata, dan arah kristalisasi cenderung aksial, sehingga memastikan bahwa ingot yang dilebur kembali padat, dengan inklusi kecil dan tersebar yang dapat mengapung di antara kristal dendritik. Pemilihan arus peleburan juga harus mempertimbangkan diameter elektroda, ukuran ingot, dan sifat fisik produk yang dimurnikan (seperti titik leleh, komposisi, viskositas, konduktivitas termal, dll.). Ekspresi formula untuk memilih arus leleh diberikan pada Tabel 5-1.

(4) Tegangan:

Di bawah kondisi arus tetap, panjang busur ditentukan oleh tegangan busur. Jika panjang busur terlalu pendek (kurang dari 15mm), korsleting periodik kemungkinan besar akan terjadi, menyebabkan suhu kolam cair berfluktuasi, sehingga mempengaruhi keseragaman struktur kristal dan kualitas permukaan ingot yang dilebur kembali. Jika busur terlalu panjang, panas tidak terkonsentrasi, distribusi termal dari kolam cair tidak merata, dan keseragaman struktur kristal ingot yang dilebur kembali terpengaruh, sehingga meningkatkan risiko busur tepi. Dalam peleburan busur vakum, kontrol panjang busur pada dasarnya sama. Saat ini, panjang busur sebagian besar dikontrol dalam kisaran 22-26mm, sesuai dengan tegangan 24-26V. Nilai δ pada saat ini harus lebih besar dari 25mm.

(5) Laju peleburan:

Jumlah kilogram cairan logam yang meleleh dari elektroda pemakaian sendiri dan memasuki alat kristalisasi per satuan waktu disebut sebagai laju peleburan, yang biasanya dinyatakan dalam kg/menit. Laju peleburan (V) dapat ditentukan dengan jarak (S, mm/menit) yang dihubungkan oleh penggaris dengan gerakan naik-turun elektroda yang dikonsumsi sendiri dalam satuan waktu. Rumus perhitungannya adalah

V = K-S (5-3)

di mana K adalah koefisien laju peleburan, kg/mm, yaitu jumlah kilogram elektroda pemakan sendiri yang dilebur oleh elektroda pemakan putih untuk setiap penurunan 1 mm. Nilai K dapat diperoleh dari keseimbangan massa antara gerakan elektroda ke bawah dan gerakan ke atas level cairan.

(6) Tingkat kebocoran:

Laju kebocoran E dari sistem vakum mengacu pada jumlah udara yang merembes ke dalam ruang vakum dari luar per satuan waktu, dengan satuan μmHg.L/s. Tingkat kebocoran memiliki dampak yang signifikan terhadap kualitas logam yang dilebur kembali, terutama untuk paduan yang sulit dilebur atau mengandung elemen aktif. Gas yang bocor ke dalam sistem vakum meningkatkan tekanan parsial oksigen, nitrogen, dan uap air di dalam ruang vakum, sehingga meningkatkan jumlah oksida dan nitrida pada logam yang dilebur kembali, yang mengakibatkan menurunnya kekuatan dan plastisitas paduan. Oleh karena itu, peleburan ulang busur vakum mengharuskan tingkat kebocoran peralatan dikontrol pada ≤ 6,67 Pa.L/s. Saat melebur logam yang sulit dilebur dan paduannya, persyaratan untuk E adalah 0,400-0,667 Pa.L/dtk.

(7) Intensitas pendinginan:

Intensitas pendinginan alat kristalisasi mempengaruhi proses pemadatan dan struktur pengecoran ingot yang dilebur kembali. Dalam produksi aktual, intensitas pendinginan dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti laju aliran, tekanan, suhu air masuk dan keluar dari air pendingin, serta jenis ingot, berat, kelas baja, struktur alat kristalisasi, dan suhu peleburan. Karena kompleksitas faktor-faktor ini, laju aliran air pendingin sering kali disesuaikan dengan pengalaman selama operasi, sehingga suhu air masuk dan keluar berada dalam kisaran yang diperlukan, sambil mempertahankan laju pemadatan yang konsisten dengan laju peleburan dan menjaga bentuk kolam peleburan logam tetap stabil.

Persyaratan untuk suhu air keluaran alat kristalisasi adalah sebagai berikut: perbedaan suhu antara air masuk dan air keluar alat kristalisasi bawah harus kurang dari 3 ° C; perbedaan suhu antara air masuk dan air keluar alat kristalisasi atas tidak boleh kurang dari 20 ° C, dan suhu air keluar harus dalam kisaran 45-50 ° C.

5.4 Masalah Kualitas Metalurgi Umum dalam Peleburan Busur Vakum

5.4.1 Makroskopis Cacat Baja dan Paduan

Cacat makroskopis yang umum terjadi terutama meliputi kualitas permukaan yang buruk dan retakan pada ingot yang dilebur ulang.

(1) Kualitas Permukaan Ingot yang Dilebur Kembali yang Buruk.

Karakteristik peleburan ulang busur vakum adalah operasi bebas terak di lingkungan bertekanan rendah. Cairan logam setelah peleburan ulang membeku dengan cepat di dalam alat kristalisasi berpendingin air, yang dapat menyebabkan cacat permukaan seperti bekas luka, inklusi terak, tanda berat, dan pergantian kulit pada ingot yang dilebur ulang.

(2) Retak

Retak dapat terjadi pada billet atau material selama pengerjaan panas atau setelah selesai dikerjakan. Menurut penyebabnya, retakan dapat dibagi menjadi retakan permukaan, retakan yang disebabkan oleh lubang penyusutan, dan retakan antar butir.

5.4.1 Cacat Mikroskopis Baja dan Paduan

(1) Porositas

Selama pemadatan, pori-pori mikro di antara kristal dendritik terbentuk karena penyusutan volume dan penambahan cairan logam yang tidak mencukupi. Cacat ini dapat diatasi dengan memilih sistem proses arc-starting yang masuk akal dan meningkatkan daya input untuk waktu yang singkat (arus peleburan harus ditingkatkan 10-20% lebih tinggi dari biasanya untuk meningkatkan suhu kolam lelehan dan membuat laju peleburan logam lebih besar daripada laju pemadatan).

(2) Pemisahan

Pemisahan pada dasarnya disebabkan oleh proses pemisahan kristal yang dipilih. Berbagai faktor yang memengaruhi pemisahan kristal, seperti komposisi, jenis ingot, ukuran ingot, laju peleburan, bentuk kolam lelehan, laju pemadatan, dan ukuran medan magnet, semuanya memengaruhi perkembangan pemisahan.

5.5 Karakteristik Peleburan Busur Vakum

(1) Proses peleburan dilakukan di lingkungan bertekanan rendah, yang tidak hanya menghilangkan polusi udara eksternal terhadap paduan tetapi juga mengurangi kandungan gas dan kotoran berbahaya dengan titik leleh rendah yang rentan terhadap penguapan pada baja dan paduan, sehingga meningkatkan kemurnian paduan.

(2) Elemen aktif seperti aluminium dan titanium memiliki sedikit kehilangan pembakaran selama proses peleburan ulang, dan komposisi kimiawi paduan relatif stabil.

(3) Peleburan dilakukan di lingkungan tanpa terak atau bahan tahan api, yang menghindari inklusi asing dari kedua sumber ini yang mencemari paduan.

(4) Memperbaiki jenis dan distribusi inklusi.

(5) Kondisi pemadatan dari metode peleburan ini dapat memastikan produksi ingot yang dilebur kembali berkualitas tinggi dengan tingkat pemisahan rendah dan kepadatan tinggi.

(6) Suhu busur yang tinggi memungkinkan peleburan kembali logam dan paduan dengan titik leleh yang tinggi.

(7) Sistem proses penyegelan yang wajar dapat meminimalkan lubang penyusutan di bagian atas ingot yang dilebur kembali dan struktur kristal dari area penyusutan akhir dapat lebih dekat ke badan ingot, sehingga meningkatkan hasil.

(8) Atmosfer selama peleburan busur vakum dapat dikontrol.

(9) Dibandingkan dengan peleburan busur listrik, kualitas permukaan dan kepadatan ingot yang dilebur kembali lebih buruk, dan lubang penyusutan tidak dapat sepenuhnya dihilangkan. Karena kualitas permukaan yang buruk, ingot yang dilebur kembali biasanya perlu dikupas, sehingga menghasilkan hasil logam yang lebih rendah.

(10) Penghilangan sulfur dan inklusi kurang menguntungkan daripada peleburan busur listrik.

(11) Untuk paduan suhu tinggi, kinerja kerja panas dari ingot yang dilebur ulang yang dihasilkan oleh peleburan busur vakum lebih rendah.

(12) Sulit untuk mengontrol komposisi paduan yang mengandung elemen yang mudah menguap seperti mangan selama peleburan ulang busur vakum. Saat peleburan ulang GCrl5, hilangnya mangan dalam baja dapat mencapai 15-18%, dan mangan yang menguap mengembun di dinding bagian dalam alat kristalisasi, menyebabkan kandungan mangan yang berlebihan pada permukaan ingot yang dilebur kembali. Itu harus menjalani proses pengelupasan sebelum bekerja panas.

(13) Peralatannya rumit, dan biaya perawatannya tinggi, sehingga mengakibatkan peningkatan biaya produksi paduan.

5.6 Varietas yang Diproduksi oleh Tungku Busur Vakum

(1) Logam tahan api dan logam aktif serta paduannya seperti W, Mo, Ta, Nb, Zr, Hf, Ti, dan U.

(2) Paduan khusus: paduan suhu tinggi dan paduan presisi.

(3) Baja tahan karat khusus dan baja tahan panas.

(4) Baja struktural yang penting, terutama ingot tuang yang besar.

(5) Baja bantalan kelas atas.

(6) Baja dan baja perkakas berkecepatan tinggi berpenampang besar.

(7) Logam non-besi dengan kemurnian tinggi dan paduannya.

6. Peleburan Plasma

6.1 Karakteristik Peleburan Plasma

Plasma adalah sumber panas bersuhu tinggi yang kuat yang digunakan secara luas tidak hanya dalam industri pengelasan, pemotongan, penyemprotan, dan kimia, tetapi juga dalam industri metalurgi, yaitu peleburan plasma.

Peleburan plasma menggunakan busur plasma sebagai sumber panas, yang dapat melelehkan bahan logam dan non-logam. Teknologi ini pertama kali diterapkan pada bidang metalurgi pada awal tahun 1960-an dan terutama digunakan untuk memurnikan bahan logam dan melebur baja dan paduan dengan kemurnian tinggi dan kinerja khusus, terutama dalam produksi paduan suhu tinggi dan presisi.

6.1.1 Pembangkitan Plasma dan Karakteristik Busur Plasma

Busur plasma memiliki karakteristik berikut ini:

• Suhu busur plasma yang tinggi.
• Konduktivitas busur plasma yang kuat.
• Laju aliran busur plasma yang tinggi.
• Pembakaran busur plasma yang stabil.

6.1.2 Keuntungan Peleburan Plasma

Tungku peleburan plasma tidak hanya dapat menghasilkan baja paduan dan paduan tetapi juga dapat melebur beberapa logam tahan api dan logam aktif seperti W, Mo, Nb, Ta, Zr, Ti, dll. Peralatan ini terus ditingkatkan dan dikembangkan dengan cepat dalam teknologi dan memiliki vitalitas ekonomi yang kuat karena memiliki keunggulan sebagai berikut:

(1) Kecepatan leleh yang cepat dan efisiensi termal yang tinggi.

(2) Penghilangan inklusi gas dan non-logam yang memadai.

(3) Kehilangan elemen paduan yang kecil.

(4) Arus dan tegangan kerja yang stabil.

(5) Dapat bekerja di bawah atmosfer dan tekanan yang berbeda. Selama peleburan plasma, tekanan dan atmosfer yang berbeda (seperti reduksi atau inert) dapat digunakan di dalam tungku sesuai dengan persyaratan proses yang berbeda.

(6) Dapat melakukan pemurnian terak. Tungku plasma tidak hanya dapat menggunakan bahan halus untuk peleburan, tetapi juga dapat menggunakan bahan kasar, bahkan bahan dengan kandungan sulfur yang tinggi.

(7) Menghindari kemungkinan penambahan karbon.

(8) Penguapan elemen dalam jumlah kecil. Perbedaan antara peleburan plasma dan metode peleburan lainnya (seperti peleburan busur vakum, peleburan induksi vakum, dan peleburan berkas elektron) adalah adanya tekanan atmosfer di atas kolam peleburan, sehingga jumlah penguapan elemen di dalam logam menjadi kecil.

(9) Dapat menirogenasi logam.

(10) Peralatan sederhana dan pengaturan suhu yang mudah. Dibandingkan dengan tungku vakum, tungku plasma memiliki peralatan yang sederhana, dan suhu busurnya relatif mudah diatur.

(11) Berbagai macam bahan peleburan ulang. Dibandingkan dengan tungku busur vakum, tungku peleburan ulang plasma tidak hanya dapat melebur kembali batang tetapi juga dapat melebur kembali balok.

6.2 Peleburan Plasma

Menurut metode pemanasan, peleburan plasma terutama mencakup peleburan busur plasma, peleburan induksi plasma, peleburan busur plasma, peleburan berkas elektron plasma, dan sebagainya.

(1) Peleburan busur plasma (PAM) menggunakan suhu sangat tinggi dan atmosfer gas inert dari busur plasma untuk melelehkan logam tahan api dan elemen aktif dalam wadah tahan api. Proses ini memiliki tingkat pemulihan paduan yang tinggi, dekarburisasi yang efektif, dan menghasilkan paduan dengan kemurnian tinggi.

(2) Peleburan induksi plasma (PIM) adalah tungku yang menggabungkan suhu sangat tinggi dan atmosfer gas inert dari busur plasma dengan pemanasan induksi dan pengadukan elektromagnetik. PIM dapat secara efektif melakukan desulfurisasi, dekarburisasi, dan degas bahan logam, serta memiliki keunggulan dalam mengendalikan elemen yang mudah menguap.

(3) Peleburan busur plasma (PAR) melelehkan logam dan terak menggunakan busur plasma dalam atmosfer gas inert dan mengeras dalam kristalisasi berpendingin air, menghasilkan hasil metalurgi yang baik.

(4) Peleburan berkas elektron plasma (PER) menggunakan plasma argon untuk memanaskan katoda tantalum di bawah vakum rendah, sehingga memancarkan elektron termal. Elektron-elektron ini bertabrakan dengan bahan logam anoda di bawah pengaruh medan listrik, dan kemudian mengeras dalam alat kristalisasi berpendingin air. Metode ini secara efektif dapat melelehkan titanium spons dan logam tahan api lainnya.

1 - Pistol Plasma; 2 - Lubang Inspeksi; 3 - Outlet Baja; 4 - Koil Induksi; 5 - Cawan; 6 - Elektroda Bawah Tungku; 7 - Cangkang Tungku; 8 - Busur Plasma; 9 - Nosel Plasma10 - Corong Makan Paduan.

6.2.1 Peleburan Induksi Plasma (PIM)

Tungku induksi plasma adalah kombinasi dari tungku induksi biasa dan perangkat pemanas busur plasma. Karena penambahan sumber panas plasma dalam tungku induksi, dimungkinkan untuk mengadopsi peleburan terak dan menciptakan terak aktif bersuhu tinggi dengan suhu sekitar 1850 ℃, yang menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk mengurangi kandungan belerang dalam logam. Oleh karena itu, ini menghindari kerugian terak dingin dan atmosfer yang tidak terlindungi di tungku induksi biasa dan secara signifikan meningkatkan kemampuan pemurnian tungku induksi.

Tungku induksi plasma biasanya beroperasi dalam kondisi tekanan normal dan juga dapat bekerja di bawah tekanan negatif jika diperlukan oleh proses.

Untuk mendapatkan logam dengan kandungan [N] yang lebih tinggi, tungku induksi plasma dapat menggunakan gas non-aktif N2 atau N2+Ar sebagai gas kerja. Dengan membentuk busur plasma melalui aliran nitrogen dan melakukan pemaduan pada saat yang sama, kandungan nitrogen dalam logam meningkat. Kadang-kadang, untuk mendekarburasi cairan baja, beberapa pabrik juga menggunakan udara sebagai gas kerja dalam tungku induksi plasma.

Peralatan peleburan jenis ini memiliki fitur penting yang dapat melakukan operasi dengan atau tanpa terak. Ketika proses peleburan perlu menggunakan operasi terak, tugas desulfurisasi, deoksidasi, dan dekarburisasi dapat diselesaikan. Saat menggunakan operasi tanpa terak, permukaan cairan logam langsung dipanaskan oleh busur plasma bersuhu tinggi.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6-1, tungku induksi plasma terdiri dari empat bagian berikut ini: badan tungku induksi plasma, catu daya tungku induksi, pistol plasma, dan generator busur plasma.

Peleburan induksi plasma adalah metode peleburan khusus yang sangat kompetitif yang mendekati atau melampaui tingkat peleburan induksi vakum dalam hal desulfurisasi, penghilangan pengotor non-logam, dan pengurangan kandungan gas pada baja dan paduan.

1 - Pistol Plasma; 2 - Tutup Tungku; 3 - Anoda Bantu; 4 - Saluran Keluar Baja; 5 - Koil Pengaduk; 6 - Lapisan Tungku; 7 - Anoda Berpendingin Air; 8 - Katoda Tungsten; 9 - Busur Plasma; 10 - Pintu Tungku; 11 - Logam Cair; 12 - Terak Cair.

6.2.2 Peleburan Busur Plasma (PAM)

Tungku busur plasma menggunakan suhu sangat tinggi dan atmosfer lembam dari busur plasma untuk melelehkan logam tahan api dan elemen aktif dalam wadah bahan tahan api. Paduan ini memiliki tingkat pemulihan yang tinggi, dapat secara efektif melakukan dekarburisasi, dan memiliki kemurnian yang tinggi.

Gambar 6-2 menunjukkan tungku busur plasma, yang penampilannya mirip dengan tungku busur biasa dan dilengkapi dengan tutup tungku 2, pintu tungku 10, saluran keluar baja 4, alat pengaduk elektromagnetik 5, pistol plasma 1, dan anoda bawah 7. Untuk mencegah polusi gas, tungku busur plasma juga dapat disegel.

Senjata ini terdiri dari nosel tembaga berpendingin air dan katoda cerium tungsten (atau thorium tungsten) berpendingin air. Nosel diisolasi dari katoda cerium tungsten dan memungkinkan gas argon mengalir. Gas argon mengalir ke dalam tungku dari bagian atas senapan melalui selongsong senapan dan terionisasi menjadi plasma. Badan tungku terbuat dari bahan tahan api, dan di bagian tengah bagian bawah tungku, ada batang grafit (atau batang berpendingin air baja-tembaga) yang terkubur sebagai anoda bawah. Apabila diberi energi, anoda bawah dihubungkan ke kutub positif catu daya DC.

Karena suhu tinggi dan panas terkonsentrasi dari busur plasma, dan pencampuran yang lemah yang disebabkan oleh jenis busur ini, logam dalam kolam cair mungkin terlalu panas, dan kadang-kadang ada bongkahan yang tidak meleleh di bagian bawah tungku. Untuk memastikan agitasi logam yang cukup selama proses peleburan, dan untuk membuat suhu dan komposisi kimiawi dari kolam cair seragam, dua kumparan tembaga berpendingin air dipasang pada lapisan luar bahan tahan api di bagian bawah tungku. Arus kerja melewatinya untuk menghasilkan medan magnet dan mengaduk logam cair.

1 - Pistol Plasma; 2 - Cincin Segel; 3 - Batang Umpan; 4 - Kolam Logam Cair; 5 - Ingot; 6 - Sistem Penarikan; 7 - Sistem Vakum; 8 - Ruang Tungku; 9 - Catu Daya; 10 - Kristalisasi.

Untuk tungku busur plasma yang tidak disegel, sejumlah terak harus diproduksi untuk menutupi permukaan logam cair untuk mencegah oksidasi dan penyerapan. Jika ada tugas desulfurisasi, terak tungku alkali dapat diproduksi, dan operasi penggantian terak juga dapat digunakan untuk mencapai kandungan sulfur yang diperlukan.

Efek pemurnian yang ditunjukkan oleh tungku busur plasma sangat signifikan, dan dapat digunakan untuk melelehkan berbagai jenis baja dan paduan, seperti baja perkakas berkecepatan tinggi, baja tahan panas, baja bantalan, baja tahan karat karbon sangat rendah, paduan presisi, dan paduan suhu tinggi.

Selain melebur baja paduan, tungku busur plasma juga dapat digunakan untuk melebur ferroalloy. Selama proses pembuatan baja, ketika baja bekas dilebur, radiasi kolam logam ke dinding tungku ditingkatkan, mempercepat kerusakan pada bahan tahan api lapisan tungku. Untuk memperpanjang umur lapisan tungku, beberapa tungku busur listrik hanya digunakan sebagai peralatan peleburan, dan tugas pemurnian cairan baja dilakukan di dalam sendok.

Untuk memanaskan cairan baja di dalam sendok, prinsip kerja tungku busur plasma dirujuk, dan peralatan pemanas sendok plasma dikembangkan. Misalnya, perangkat pemanas sekunder sendok plasma 220t yang dibuat di Amerika Serikat saat ini, tungku pemanas sendok plasma 150t dari Krupp Steel Works di Jerman, dan senapan plasma AC dengan arus 12kA yang dipasang pada tungku sendok ini.

6.2.3 Peleburan Busur Plasma (Plasma Arc Remelting/PAR).

Metode peleburan busur plasma adalah metode peleburan khusus yang menggunakan busur plasma untuk melebur logam dalam atmosfer lembam atau terkendali. Metode ini juga dapat dianggap sebagai proses peleburan logam. Selama proses peleburan ulang, tetesan logam cair melewati lapisan terak dan mengeras di dalam alat kristalisasi. Seperti peleburan busur elektroda yang dapat dikonsumsi vakum dan peleburan electroslag, ia meleleh dan membeku pada saat yang sama, yaitu peleburan dan pengecoran logam dilakukan secara bersamaan. Bahan logam yang dilebur ulang dapat berupa bahan batangan atau bahan balok. Ketika menggunakan bahan batangan, busur plasma langsung mengenai bahan batangan untuk melelehkannya.

Tergantung pada ukuran ingot, peleburan ulang plasma dapat dilakukan dengan operasi senapan tunggal atau operasi multi-senapan. Untuk operasi satu senapan, senapan plasma dipasang secara vertikal di tengah ruang tungku, dan batang umpan memanjang ke dalam ruang tungku dari lubang pemuatan material di sisi badan tungku (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6-3). Untuk operasi multi-gun, batang umpan memanjang ke dalam tungku dari tepat di atas tungku, dan beberapa senjata plasma (4 hingga 6) disusun di sekitar batang umpan dan dimiringkan dari dinding samping tungku.

Saat melebur kembali bahan blok, untuk melelehkan muatan dengan cepat dan sepenuhnya, muatan harus ditambahkan ke tengah kolam cair melalui palung corong. Cangkang tungku dari tungku peleburan ulang busur plasma biasanya mengadopsi struktur lapisan ganda baja tahan karat, dengan pendingin air di tengahnya. Alat kristalisasi ditempatkan di tengah bagian bawah ruang tungku, salah satu ujung catu daya dihubungkan ke elektroda di pistol plasma, dan ujung lainnya dihubungkan ke kolam cair melalui ingot logam yang dipadatkan.

Sebelum peleburan ulang, tungku dievakuasi, dan gas Ar digunakan sebagai gas yang berfungsi untuk pistol plasma. Selama operasi, gas dimasukkan ke dalam ruang tungku sementara gas di dalam tungku dipompa keluar, dan tekanan di dalam tungku dijaga pada tingkat tertentu.

Dibandingkan dengan tungku busur plasma dan tungku induksi plasma, perbedaan peleburan plasma adalah bahwa ia menggunakan kristalisasi berpendingin air untuk secara bersamaan melelehkan dan memadatkan logam. Karena suhu busur plasma yang tinggi, kolam terak dapat terbentuk di permukaan logam cair, dan lapisan tipis cangkang terak dapat terbentuk di permukaan ingot, menghasilkan struktur pengecoran yang baik. Selama proses peleburan ulang, logam memiliki perlindungan gas Ar, sehingga fluktuasi komposisi kimiawi logam kecil, dan kandungan gas serta inklusi non-logam rendah. Jumlah total inklusi dan kandungan oksigen dalam baja peleburan ulang plasma hanya berada di urutan kedua setelah peleburan ulang berkas elektron.

Saat ini, metode peleburan ini dapat digunakan untuk melebur baja bantalan, baja struktural paduan, baja tahan korosi, baja paduan yang mengandung nitrogen, logam tahan api dan paduannya, baja cetakan suhu tinggi, paduan presisi, dan logam aktif.

7. Peleburan Ulang Tungku Berkas Elektron

7.1 Gambaran Umum

Peleburan berkas elektron (EBM) adalah metode metalurgi yang memanfaatkan kepadatan energi tinggi berkas elektron untuk melelehkan logam dengan cara membombardirnya dengan panas. Teknologi ini telah diterapkan di berbagai bidang, terutama untuk peleburan, pemurnian, dan daur ulang logam langka, logam mulia, dan logam tahan api. Teknologi ini juga dapat digunakan untuk memproduksi bahan semikonduktor dan kristal tunggal logam tahan api dan paduannya.

Peleburan berkas elektron (EBR) adalah proses pemurnian yang menggunakan berkas elektron berkecepatan tinggi yang dipancarkan dari senapan elektron sebagai sumber panas untuk memurnikan bahan logam dalam kondisi vakum tinggi. Energi kinetik dari berkas elektron diubah menjadi energi panas, yang melelehkan dan memurnikan logam. Logam yang meleleh kemudian didinginkan dalam alat kristalisasi berpendingin air untuk membentuk tetesan yang dipadatkan.

Karena EBM dilakukan di bawah kondisi vakum tinggi, suhu panas berlebih tinggi, dan waktu perawatan dalam keadaan cairnya lama, sehingga menghasilkan pemurnian dan penghalusan logam yang efektif. Proses ini dapat menghilangkan kotoran seperti degassing, deoksidasi, dan kotoran logam yang mudah menguap. Selama proses pengecoran ingot, kotoran mengapung ke atas dan berkumpul di bagian atas ingot, sementara logam dengan titik leleh tinggi terkonsentrasi di permukaan. Dengan membuang bagian atas ingot dan menyempurnakan lapisan luar, ingot logam dengan kemurnian tinggi dapat diperoleh. Diagram skematik tungku peleburan berkas elektron ditunjukkan pada Gambar 7-1.

1 - Pompa difusi oli; 2 - Pompa mekanis; 3 - Pompa akar; 4 - Lantai pabrik; 5 - Platform operasi; 6 - Katup pemuatan; 7 - Mekanisme pendorong batang pemuatan; 8 - Batang pemuatan; 9 - Sistem pembelokan berkas elektron; 10 - Pistol elektron; 11 - Antarmuka vakum pistol elektron; 12 - Berkas elektron; 13 - Ruang peleburan; 14 - Pengkristal; 15 - Basis cetakan ingot berpendingin air; 16 - Mobil ingot; 17 - Mekanisme penarik; 18 - Rangka mekanisme penarik;

Proses peleburan berkas elektron dimulai dengan peleburan logam tahan api seperti tantalum, niobium, hafnium, tungsten, dan molibdenum, tetapi sekarang telah berkembang menjadi produksi bahan semikonduktor, paduan magnetik berkinerja tinggi, dan beberapa baja khusus seperti baja bantalan, baja tahan karat tahan korosi, dan besi murni berkarbon sangat rendah. Selain itu, tungku peleburan berkas elektron juga dapat digunakan untuk melebur paduan tahan panas tertentu, terutama yang mengandung tungsten dan molibdenum dengan niobium atau tantalum sebagai komponen utama. Menurut laporan, bekas Uni Soviet juga menggunakan tungku peleburan berkas elektron untuk melebur tembaga dan nikel. Selain digunakan untuk melelehkan bahan logam seperti baja dan paduannya, peleburan berkas elektron juga dapat digunakan untuk melelehkan keramik dan kaca dengan sifat yang berbeda.

Karakteristik teknologi peleburan berkas elektron dapat diringkas sebagai berikut:

(1) Karena peleburan berkas elektron dilakukan dalam kondisi vakum, kondisi peleburan material dapat dikontrol kapan saja, sehingga material refraktori dengan kemurnian tinggi dapat diperoleh.

(2) Kepadatan energi yang tinggi dari berkas elektron membuatnya mudah untuk menyesuaikan kepadatan energi permukaan kolam cair dengan mengontrol konvergensi dan divergensi berkas, yang memungkinkan untuk melelehkan logam tahan api.

(3) Kontrol otomasi mudah dicapai, sehingga aman dan dapat diandalkan, terutama dengan penerapan teknologi komputer modern, teknologi elektronik, dan teknologi otomasi. Hal ini memudahkan untuk mengekstraksi dan mendapatkan bahan dengan kemurnian tinggi dari bahan tahan api.

(4) Komposisi kimiawi bahan cair dapat dikontrol secara tepat, memungkinkan produksi logam tahan api langka dan bahan logam dengan kemurnian tinggi yang memenuhi persyaratan kinerja tertentu.

Namun, metode peleburan ini memiliki beberapa kelemahan, seperti produktivitas yang rendah, struktur peralatan yang rumit, membutuhkan penggunaan catu daya DC tegangan tinggi, dan biaya investasi peralatan yang tinggi. Oleh karena itu, metode peleburan ini sulit untuk menjadi metode utama peleburan khusus. Dari perspektif biaya produksi, peleburan berkas elektron adalah yang tertinggi. Jika biaya produksi baja khusus dengan metode peleburan biasa dianggap 1, maka biaya metode peleburan lain untuk peleburan dengan kapasitas dan jenis baja yang sama adalah 1,75 untuk peleburan tungku busur listrik, 2,03 untuk peleburan busur plasma, 2,4 untuk peleburan busur vakum, dan 2,72 untuk peleburan berkas elektron.

7.2 Prinsip Dasar Peleburan Kembali Berkas Elektron

Prinsip kerja peleburan berkas elektron mirip dengan dioda vakum, di mana katoda dan anoda ditempatkan di ruang vakum dan masing-masing dihubungkan ke kutub negatif dan positif catu daya DC. Ketika katoda dipanaskan oleh sumber daya lain, suhunya meningkat, dan beberapa elektron bebas dalam bahan katoda tereksitasi dan dipancarkan karena panas.

Jika katoda dan anoda kemudian dihubungkan ke catu daya DC tegangan tertentu, elektron yang tereksitasi dikenai intensitas medan listrik tertentu dan dipercepat serta diarahkan ke anoda. Dalam tungku peleburan berkas elektron, elektron yang bergerak cepat membombardir bahan logam anoda, dan energi kinetik elektron diubah menjadi energi panas pada anoda, sehingga memanaskan dan melelehkannya. Prinsip proses peleburan berkas elektron ditunjukkan pada Gambar 7-2.

7.3 Peralatan Utama Tungku Peleburan Berkas Elektron

Tungku peleburan berkas elektron terdiri dari tiga bagian utama: badan tungku, sistem vakum, dan sistem kelistrikan. Diagram skematik peralatan peleburan ditunjukkan pada Gambar 7-3.

1. Sistem pembangkitan berkas elektron; 2. Katup vakum; 3. Sistem vakum; 4. Sistem pemfokusan dan defleksi; 5. Ruang kerja; 6. Benda kerja; 7. Catu daya tegangan tinggi; 8. Catu daya lensa magnetik; 9. Catu daya koil defleksi; 10. Sistem kontrol.

Pada bagian ini, bagian utama bodi tungku akan diperkenalkan, dengan fokus pada senapan elektron. Selain itu, ada juga ruang vakum, alat kristalisasi, serta mekanisme pengumpanan dan penarikan.

7.3.1 Senapan Elektron

Pistol elektron adalah komponen kunci untuk menghasilkan berkas elektron dalam tungku peleburan berkas elektron. Ini memiliki berbagai bentuk struktural, seperti pistol aksial, pistol melintang, dan pistol annular. Saat ini, senapan aksial lebih banyak digunakan.

Bentuk luar senapan aksial seperti silinder, dan struktur internalnya ditunjukkan pada Gambar 7-4. Diagram prinsip dan model simulasi tiga dimensi dari senapan elektron ditunjukkan pada Gambar 7-5 dan 7-6. Berkas elektron dipancarkan dari katoda blok, dipercepat oleh anoda, difokuskan oleh koil pemfokusan, dan diarahkan ke logam yang dipanaskan dengan kecepatan yang sangat tinggi di bawah kendali koil defleksi, sehingga melelehkan logam.

Senapan elektron terdiri dari elemen emisi berkas elektron, katoda pembentuk berkas, anoda pemercepat, pengumpul ion, sistem pemfokusan berkas elektron, dan sistem pembelokan berkas elektron. Elemen emisi berkas elektron terdiri dari katoda pemanas 3 dan katoda pemancar 4.

Katoda pemanas terbuat dari kawat tungsten yang dililitkan ke dalam bentuk spiral ganda. Apabila arus AC 40-50A (tegangan 5V) melewati kawat tungsten, maka kawat ini dapat dipanaskan hingga sekitar 2800 ℃. Tegangan antara katoda pemanas dan katoda pemancar adalah 1500 V DC, di mana elektron termal keluar dari kawat tungsten dan mengenai katoda pemancar di bawah medan listrik.

1. Mengisolasi pot keramik; 2. Port pemompaan vakum; 3. Filamen; 4. Blok katoda; 5. Mempercepat anoda; 6. Saluran masuk / keluar air pendingin; 7,9. Kumparan pemfokusan; 8. Berkas elektron; 10. Tabung pemandu; 11. Kumparan defleksi.

1. Catu daya pemanas filamen; 2. Filamen; 3. Catu daya koil defleksi; 4. Catu daya tegangan akselerasi; 5. Catu daya koil pemfokusan; 6. Anoda (Ground) Berkas elektron; 7. Kumparan pemfokusan; 8. Anoda (Ground); 9. Katoda.

1. Dudukan timah; 2. Sistem pembangkitan berkas elektron; 3. Konektor tweeter; 4,5. Lensa magnetik pertama dan kedua Lensa magnetik pertama dan kedua; 6. Katup vakum; 7. Sistem defleksi magnetik.

7.3.2 Alat kristalisasi

Alat kristalisasi dari tungku berkas elektron mirip dengan tungku busur vakum, yang terbuat dari tembaga ungu dan berpendingin air. Bagian bawah alat kristalisasi memiliki dua jenis: tetap dan dapat digerakkan (digunakan untuk menarik ingot). Selain itu, penampang rongga bagian dalam alat kristalisasi dapat dibuat menjadi lingkaran, cincin, atau persegi panjang sesuai dengan kebutuhan produk logam yang berbeda.

7.3.3 Perangkat Pengumpanan

Tungku berkas elektron adalah sejenis peralatan yang melelehkan dan memadatkan pada waktu yang bersamaan. Apabila batang logam terus menerus meleleh, batang yang tidak meleleh harus segera didorong ke area pengeboman berkas elektron. Mekanisme pengumpanan sebagian besar digerakkan oleh transmisi mekanis. Ada dua jenis perangkat pengumpanan: memanjang dan melintang, dan ada juga jenis melintang dengan pengumpanan bolak-balik dua sisi.

7.3.4 Mekanisme Penarikan

Untuk alat kristalisasi dengan bagian bawah yang dapat digerakkan, mekanisme penarik perlu dipasang. Hal ini karena ketika logam di dalam alat kristalisasi terus mengeras, ingot logam yang sudah mengeras harus terus ditarik ke bawah untuk mempertahankan ketinggian tertentu dari kolam cair. Mekanisme penarikan tungku berkas elektron dapat menggunakan transmisi mekanis atau transmisi hidrolik.

7.4 Proses Peleburan Berkas Elektron dan Karakteristik Metalurgi

7.4.1 Proses Peleburan Berkas Elektron

(1) Sebelum menyalakan tungku, semua bagian tungku harus diperiksa dengan cermat untuk menghindari kecelakaan atau perawatan panas yang disebabkan oleh bahaya tersembunyi pada peralatan. Di sisi lain, bahan tungku yang akan dilebur ulang harus disiapkan.

(2) Sebelum peleburan, pasang alat kristalisasi dan bahan batang, lalu tutup tungku dan evakuasi. Ketika tingkat vakum dalam tungku mencapai (1 ~ 3) × 10mmHg (0,00133 ~ 0,00399 Pa), mulailah memanaskan katoda dan dinginkan dengan air secara bersamaan.

(3) Daya tidak boleh terlalu tinggi saat mulai menerapkan daya. Tingkatkan daya secara bertahap ketika ada sejumlah cairan logam di dalam alat kristalisasi dan kolam logam memiliki kedalaman tertentu, mencapai laju leleh normal.

(4) Selama proses peleburan ulang, perhatian khusus harus diberikan untuk mencegah berkas elektron menabrak dinding alat kristalisasi dan merusaknya, sehingga menyebabkan kecelakaan. Selama proses peleburan ulang, waktu untuk menarik harus ditentukan berdasarkan tingkat cairan kolam logam, sambil juga memperhatikan koordinasi antara kecepatan penarikan dan laju peleburan logam.

7.4.2 Karakteristik Metalurgi dari Peleburan Ulang Berkas Elektron

Metode peleburan berkas elektron adalah metode peleburan yang memurnikan dan memurnikan baja atau paduan dalam kondisi vakum tinggi dan suhu tinggi. Dibandingkan dengan metode peleburan khusus lainnya untuk baja dan paduan, metode ini memiliki karakteristik sebagai berikut:

(1) Peleburan berkas elektron dilakukan dalam kondisi vakum yang sangat tinggi (hingga ~0,00133 Pa). Ini memiliki tingkat vakum yang jauh lebih tinggi daripada tungku induksi vakum dan tungku busur vakum. Oleh karena itu, jauh lebih lengkap dan menyeluruh dalam menghilangkan gas, inklusi non-logam, dan elemen berbahaya tertentu dari logam, dan laju reaksi pemurnian dan penyempurnaan lebih tinggi daripada tungku vakum lainnya.

(2) Selama proses peleburan ulang, dimungkinkan untuk menyesuaikan kekuatan bahan tungku peleburan dan kekuatan pemanasan kolam cair secara terpisah. Oleh karena itu, ketika laju peleburan berubah, suhu yang diperlukan dari kolam leleh masih dapat dipertahankan.

(3) Karena berkas elektron yang dilepaskan pada anoda memiliki energi yang sangat tinggi, maka, kolam lelehan logam dapat mencapai suhu yang sangat tinggi (suhu permukaan kolam lelehan dapat mencapai 1850 ℃). Hal ini tidak hanya kondusif untuk reaksi pemurnian selama proses peleburan ulang, tetapi juga dapat diterapkan untuk peleburan logam dengan titik leleh tinggi seperti tantalum, niobium, tungsten, dan molibdenum.

(4) Pengontrolan berkas elektron yang baik, sehingga posisi pemanasan kolam cair dapat dikontrol dengan mengontrol berkas elektron, dengan demikian memastikan pemerataan suhu kolam cair. Hal ini akan membantu mendapatkan ingot logam dengan kualitas permukaan dan struktur kristal yang sangat baik.

(5) Tungku berkas elektron tidak hanya dapat melelehkan bahan batang tetapi juga dapat dirancang untuk melelehkan bahan blok, chip, atau logam bubuk.

7.5 Efek Peleburan Kembali Berkas Elektron

Material yang dilebur kembali dengan berkas elektron memiliki kualitas tinggi dan dapat mengurangi kandungan elemen dengan titik leleh rendah dan mudah menguap ke tingkat yang sangat rendah. Ini dapat digunakan untuk peleburan dan pemurnian logam-logam berikut: produksi ingot titanium dan nikel untuk pemrosesan dingin dengan permukaan yang halus dan plastisitas yang cukup; produksi ingot tungsten dan molibdenum dengan kemurnian tertinggi; dibandingkan dengan timbal yang dilebur dengan tungku busur vakum, timbal yang dilebur kembali memiliki kemurnian yang lebih tinggi, yang dapat digunakan untuk komponen kontrol reaktor bawah laut nuklir; ingot vanadium yang dimurnikan dapat digunakan untuk membuat bagian-bagian reaktor bawah laut nuklir.

Keuntungan utama peleburan berkas elektron untuk baja adalah bahwa peleburan ini sangat mengurangi pengotor dan elemen pengotor logam dan non-logam. Peleburan aliran kontinu atau pemurnian unggun dingin untuk baja khusus dan paduan super tahan panas dapat sangat mengurangi biaya produksi.

7.5.1 Penghapusan Gas dan Inklusi dalam Logam

Fitur terbesar dari peleburan berkas elektron yaitu, dapat mempertahankan vakum tinggi, suhu tinggi, dan logam cair untuk waktu yang lama. Oleh karena itu, ini sangat bermanfaat untuk menghilangkan gas, elemen pengotor, dan oksida bervalensi rendah. Melalui percobaan pada material yang berbeda, juga telah dibuktikan bahwa material yang diperoleh setelah peleburan ulang berkas elektron memiliki kemurnian tertinggi, yang dapat sangat meningkatkan dan meningkatkan kinerja logam. Metode peleburan ulang berkas elektron tidak hanya memiliki kemampuan degassing yang baik untuk paduan tetapi juga untuk logam murni. Untuk beberapa logam tujuan khusus, kemurnian yang lebih tinggi dapat dicapai melalui beberapa metode peleburan ulang.

Kandungan gas dalam logam setelah peleburan ulang terkait dengan jumlah waktu peleburan ulang dan waktu setiap peleburan ulang. Semakin lama waktu peleburan, semakin rendah kandungan oksigen dan nitrogen dalam logam. Namun, memperpanjang waktu peleburan berarti mengurangi laju peleburan, yang akan menurunkan laju produksi dan meningkatkan biaya produksi, sehingga harus dipertimbangkan secara komprehensif.

Metode peleburan ulang berkas elektron juga memiliki efek yang ideal untuk menghilangkan inklusi non-logam dari logam.

7.5.2 Peningkatan Sifat Logam

Karena kemampuan peleburan ulang berkas elektron untuk secara signifikan mengurangi kandungan gas dan inklusi dalam logam serta meningkatkan kondisi pemadatan, sifat-sifat logam yang dilebur ulang meningkat secara signifikan. Menurut laporan, setelah peleburan ulang berkas elektron, kandungan nitrogen, hidrogen, dan oksigen dalam paduan tahan panas berkurang masing-masing sebesar 60-70%, 40-50%, dan 70-80%, dan kinerja paduan meningkat secara signifikan. Ketika berkas elektron melelehkan baja struktural, dibandingkan dengan metode peleburan biasa, perpanjangan material meningkat sebesar 35%, penyusutan penampang meningkat sebesar 65%, dan koefisien isotropik meningkat dari 0,6 menjadi 0,9.

8. Perbandingan dan Pemilihan Proses Peleburan

8.1 Proses Peleburan Paduan Ekspansi Khas

Paduan ekspansi mengacu ke jenis paduan yang disegel dengan bahan kaca atau keramik. Terdapat 29 tingkatan dan beragam spesifikasi jenis paduan ini di Tiongkok. Paduan utama untuk penyegelan dengan kaca adalah 4J29, 4J49, 4J52, 4J54, dan 4J6, sedangkan paduan utama untuk penyegelan dengan keramik adalah 4J33 dan 4J34.

Diantaranya, 4J29 termasuk dalam paduan ekspansi tetap, yang memiliki koefisien ekspansi linier tertentu dalam kisaran -60 ℃ hingga +400 ℃. Ini digunakan untuk mencocokkan dan menyegel dengan kaca keras, dan banyak digunakan sebagai bahan struktural penyegelan dalam industri vakum listrik. Penggunaannya relatif besar, dengan permintaan domestik mencapai ratusan ton per tahun, dan metode pasokan utama untuk produk adalah strip.

4J36 adalah paduan ekspansi rendah, yang memiliki koefisien ekspansi sangat rendah dalam kisaran 0 ℃ hingga +100 ℃ dan -60 ℃ hingga +100 ℃. Ini digunakan untuk membuat komponen dengan dimensi yang kira-kira konstan dalam kisaran perubahan suhu, dan secara luas digunakan dalam industri seperti radio, instrumen presisi, instrumentasi, dan lain-lain.

8.1.1 Standar yang Relevan untuk Paduan Ekspansi

Persyaratan komposisi dan indikator terkait untuk beberapa tingkat paduan ekspansi ditunjukkan pada Tabel 8-1, 8-2, 8-3, dan 8-4.

Tabel 8-1 Persyaratan untuk Komposisi Paduan Ekspansi

Tabel 8-2 Persyaratan Komposisi untuk Paduan 4J36

Tabel 8-3 Hubungan antara Permeabilitas dan Suhu Paduan 4J36

Tabel 8-4 Sifat mekanis paduan 4J36 pada suhu kamar

8.1.2 Pemurnian Paduan Ekspansi 4J36

Bentuk produk dari paduan ekspansi terutama mencakup kawat, strip, tabung, dan stok batang bulat. Bentuk yang paling banyak digunakan adalah strip, dan peralatan utama yang digunakan dalam produksi termasuk tungku listrik, palu tempa (3-5t), pabrik lempengan, tungku anil, mesin pelurus, mesin penggiling, pengelasan busur argonpabrik penggulungan dingin empat gulungan (multi-roll), tungku anil kontinu, peralatan perawatan permukaan, dll.

8.2 Proses Peleburan Paduan Magnetik Lunak yang Khas

Dari penemuan awal paduan besi-nikel pada abad ke-19 hingga serangkaian studi eksperimental berikutnya pada abad ke-20, serta penggunaan penyulingan vakum, sifat-sifat paduan telah sangat ditingkatkan. Dengan pendalaman penelitian dan kebutuhan aplikasi praktis, elemen lain seperti molibdenum, tembaga, dan kromium ditambahkan ke sistem biner, sehingga menciptakan serangkaian bahan seperti paduan super-Invar yang terkenal, paduan tembaga-paduan dengan permeabilitas awal yang lebih tinggi, dan paduan besi-kromium-nikel dengan resistivitas listrik yang lebih tinggi. Dua parameter mendasar adalah: konstanta anisotropi kristal magnetik K dan konstanta magnetostriksi λ, yang menentukan proses magnetisasi teknis dan sifat magnetik paduan.

Paduan magnetik lunak besi-nikel. Karakteristik paduan ini terutama meliputi: permeabilitas tinggi dan gaya koersif yang sangat kecil di medan magnet lemah (atau sedang); kinerja pemrosesan yang baik, dapat dibuat menjadi perangkat berbentuk kompleks; ketahanan karat yang baik; beberapa bahan memiliki sifat magnetik khusus setelah pemrosesan tertentu, seperti loop histeresis persegi panjang, magnet sisa yang sangat rendah, atau permeabilitas konstan pada rentang medan magnet yang cukup besar.

8.2.1 Komposisi Kimia dari Paduan yang Relevan

Tabel 8-5 menunjukkan persyaratan komposisi kimia dari beberapa paduan magnetik lunak yang khas.

Tabel 8-5 Komposisi Kimia (%) Paduan Magnetik Lunak

8.2.2 Karakteristik Kinerja Paduan Magnetik Lunak 1J86

Paduan 1J86 terutama mengandung nikel 81% dan molibdenum 6%. Paduan ini memiliki μi yang lebih tinggi dan Hc yang lebih rendah dibandingkan dengan 1J77 dan 1J85, dan nilai μm-nya mendekati keduanya. Karena paduan ini mengandung molibdenum 6%, resistivitasnya lebih tinggi, yang meningkatkan kinerja magnetik pada frekuensi yang lebih tinggi. Untuk mendapatkan sifat magnetik statis yang lebih tinggi, tidak ada silikon atau mangan yang ditambahkan ke dalam paduan, karena pengaruhnya terhadap sifat magnetik kurang signifikan dibandingkan dengan nikel dan molibdenum. Penambahan mangan 1% dan sejumlah kecil silikon ke dalam paduan dimaksudkan untuk meningkatkan stabilitas suhu dan kemampuan kerja panas paduan.

8.3 Proses Peleburan Paduan Suhu Tinggi

8.3.1 Komposisi Kimia dari Paduan yang Relevan

Tabel 8-6 menunjukkan komposisi kimia yang diperlukan dari beberapa paduan suhu tinggi yang khas.

8.3.2 Proses Peleburan Paduan Suhu Tinggi

Untuk memastikan bahwa paduan suhu tinggi memiliki sifat ketahanan suhu tinggi dan ketahanan korosi yang diperlukan, paduan tersebut harus memiliki komposisi kimia tertentu, kemurnian, dan struktur mikro yang sesuai, dan komposisi serta kemurnian paduan bergantung pada teknologi peleburan. Oleh karena itu, proses peleburan adalah penghubung utama dalam proses produksi paduan suhu tinggi.

Karena tingkat pemaduan yang tinggi, paduan suhu tinggi mengandung sejumlah besar elemen berat seperti tungsten, molibdenum, niobium, kromium, serta elemen yang mudah teroksidasi seperti aluminium, titanium, dan boron. Karakteristik ini menentukan bahwa paduan suhu tinggi memiliki persyaratan yang ketat untuk proses peleburan dan umumnya menggunakan peleburan vakum. Saat ini, sebagian besar paduan dilebur dalam tungku induksi vakum atau tungku induksi atmosfer, dan kemudian menjalani peleburan ulang tungku konsumsi vakum atau peleburan ulang electroslag untuk meningkatkan kemurniannya dan mendapatkan struktur mikro dan sifat yang baik.

Peralatan dalam dan luar negeri untuk peleburan paduan suhu tinggi meliputi tungku busur, tungku induksi, tungku induksi vakum, tungku busur vakum, dan tungku electroslag. Selain itu, ada juga tungku berkas elektron dan tungku plasma.

Dalam praktik produksi China selama bertahun-tahun, eksplorasi dan pengembangan yang berkesinambungan telah menghasilkan berbagai kombinasi metode peleburan dari peleburan tungku busur awal hingga proses peleburan saat ini, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 8-7.

Tabel 8-7 Rute Proses untuk Peleburan Paduan Suhu Tinggi Berbasis Ni- dan Berbasis Fe

8.3.3 Pemilihan Rute Proses Metalurgi

Untuk peleburan khusus, ada banyak pilihan umum untuk skema aliran proses. Seseorang dapat menggunakan metode peleburan tunggal untuk melebur secara langsung, atau mengadopsi proses ganda atau tiga. Skema proses yang tepat harus dipilih sesuai dengan variasi dan kualitas peleburan. Keuntungan dan kerugian dari metode peleburan yang berbeda perlu dipertimbangkan secara komprehensif dari berbagai aspek seperti konsumsi energi, investasi peralatan, indikator teknis dan ekonomi, serta kualitas peleburan.

Tabel 8-8 Alur Proses Peleburan Khusus yang Umum