Teknik pengawalan nitrogen dalam proses perleburan keluli yang menggunakan relau arka elektrik
Disiarkan dalam Majalah Dewan Kosmik Ogos 2010
Teknik pengawalan nitrogen dalam proses perleburan keluli yang menggunakan relau arka elektrik
Kebelakangan ini ramai jurutera metalurgis giat mengkaji bagaimana cara untuk menghasilkan keluli tuang (casting) yang bebas dari kecacatan seumpama kecacatan akibat gas yang terperangkap dalam pepejal keluli. Tulisan ini adalah salah satu usaha untuk membantu para jurutera muda mendapat bahan bacaan berbahasa Melayu untuk mendalami aspek mudah pengawalan nitrogen dalam pembuatan keluli.
Selalunya hasil gas yang terperangkap ini dapat dilihat sebagai lelubang pin yang kecil dan bersaiz bujur. Malah masalah nitrogen yang terperangkap dalam keluli ini juga akan mengurangkan kekuatan keluli, meningkatkan kerapuhan kesan zon panas atau ‘embrittlement of the heat affected zone’ (HAZ) pada keluli kimpalan dan kelemahan ubahbentuk kerja sejuk (cold formability). Ia juga boleh mengurangkan ketahanan terhadap haba yang baik. Adalah sesuatu yang wajib untuk para jurutera metalurgis memastikan kandungan nitrogen di dalam keluli semasa dan selepas perleburan adalah seminima yang mungkin.
Sebenarnya selain aplikasi penggunaan teknologi sokongan yang moden serta sofistikated, pengawalan kadar nitrogen dengan menggunakan teknik konvensional adalah amat efektif sekiranya para jurutera menyedari faktor utama bagaimana nitrogen boleh terperangkap dalam keluli leburan.
Dalam penggunaan relau arka elektrik (electric arc furnace), nitrogen boleh dikurangkan melalui penggunaan DRI dan beberapa teknik yang akan dibincangkan.
Semasa keluli berada dalam bentuk leburan, nitrogen wujud dalam bentuk lelubang gas, mendakan sebatian nitrid seperti aluminim nitrida atau terperangkap dalam larutan pejal tanpa tindakbalas kimia. Nitrogen larut semaksima 450 ppm dalam keluli atau besi lebur.
DRI (direct reduced iron) atau selalunya digunakan dalam bentuk HBI (hot brequetted iron) adalah bahan yang sesuai untuk mendapat unsur sisa atau tambahan seperti karbon dan silikon kerana kandungannya yang seperti berikut:
| | % |
| Jumlah Fe | 94-95 |
| Karbon | 1.0 - 1.5 + 0.3 |
| Sulfur | 0.0005 - 0.015 |
| Fosforus | 0.02 - 0.09 |
| Silikon Oksida | 1.0 - 2.0 |
Namun begitu, selepas diteliti kemampuan bahan ini, secara praktikalnya ia boleh mengurangkan kandungan gas yang terperangkap terutama nitrogen yang terperangkap daripada atmosfera.
DRI adalah bahan suapan untuk perleburan keluli dan besi yang dihasilkan melalui penurunan oksigen di dalam bijih besi yang dilakukan secara langsung (direct) tanpa melalui proses perleburan. Proses ini adalah proses yang menyamai proses penguraian (smelting) bagi bijih besi. Selalunya DRI dihasilkan dalam bentuk briket (briquettes) panas yang dihasilkan melalui pemampatan DRI pada suhu 650 C.
HBI ini kaya dengan karbon bebas dan partikel karbida kerana ia belum melalui proses perleburan. Karbon sebegini amat sesuai untuk menghasilkan tindakbalas pendidihan karbon yang baik. Di dalam teknik perleburan keluli, proses pembaikan (refining) berlaku apabila tindakbalas pendidihan karbon berlaku iaitu melalui suntikan gas oksigen bertekanan tinggi ke dalam mandian keluli lebur.
Pendidihan ini akan membuang semua oksida di dalam keluli dan menghubungkan oksida berkenaan dengan slanga (slag) dan bakal dibuang. Pendidihan ini juga akan mengurangkan kandungan karbon di dalam komposisi keluli lebur kepada kandungan yang diingini oleh kita.
Namun begitu, pendidihan ini selalunya akan menaikkan suhu mandian keluli lebur dan boleh menyah nitrogen yang terperangkap dalam keluli lebur melalui penghasilan buih-buih karbon monoksida (akibat pendidihan) iaitu ia bertindak dengan melekapkan molekul nitrogen di dalam bebuih karbon monoksida.
Industri keluli global hari ini menggunakan sebanyak 22 peratus besi alternatif seperti DRI/HBI untuk menggantikan ‘pig iron’, bijih besi atau skrap besi terpakai yang kadangkala tidak membantu mengurangkan keterlarutan nitrogen di dalam leburan keluli.
Di samping membantu menghalang keterlarutan nitrogen di dalam leburan keluli, DRI juga bertindak mengurangkan penggunaan elektrod pada relau arka elektrik kerana ia tidak menghasilkan pengarkaan yang terlalu banyak. Penghasilan bebuih karbon monoksida semasa proses pendidihan juga mengelakkan elektrod karbon daripada teroksida.
Sumber nitrogen dalam penghasilan kekuli menggunakan relau arka elektrik.
Nitrogen wujud dalam keluli melalui dua cara iaitu melalui bahan suapan seperti besi skrap dan juga melalui serapan nitrogen dari atmosfera semasa proses perleburan.
Kandungan nitrogen dalam bahan suapan adalah seperti berikut
Besi Scrap 30-120 ppm
HBI/DRI 20-30 ppm
Cold pig iron (CPI) 20-30 ppm
Coke ( arang batu) 5000-10000 ppm
Gas oksigen 30-200 ppm
Penggunaan gas nadir seperti Argon (Ar) <30>
Kalsium Oksida 400 ppm
Graf ini adalah menurut kajian Pillot (Pilliod, C F, Variables Affecting the Nitrogen Content of Carbon and Low Alloy Acid Electric Arc Furnace Steels, 46th Electric Furnace Conference Proceedings, Pittsburgh (USA), 6-9 December, 1988, The Iron and Steel Society, pp. 107-110 ) di mana garisan tebal mewakili proses yang menggunakan 50% skrap kilang kitar semula 50% besi skrap umum. Manakala garisan putus pula mewakili proses yang menggunakan 100% besi skrap.
Keterlarutan nitrogen sepanjang proses boleh diringkaskan seperti berikut:
A: Proses awal permulaan elektrod karbon. ( kandungan nitrogen melebihi 0.005%)
B: Terhasil kolam kecil leburan keluli (kandungan nitrogen meningkat mendadak sehingga 0.02% akibat pengarkaan elektrod)
C: Perleburan sisa bahan suapan ( kandungan nitrogen menurun)
D: Kolam leburan keluli dipanaskan sehingga ke suhu didih ( tiada perubahan kandungan nitrogen)
E: Tempoh masa pendidihan keluli ( penurunan mendadak nitrogen sehingga 0.005% akibat bebuih karbon monoksida yang memerangkap dan menyah nitrogen)
F: Bahan suapan Ferroalloy ditambah dan kolam leburan dipanaskan ke suhu tuangan ‘tapping temperature’ ( tiada perubahan kandungan nitrogen)
G: Leburan dituang ke laddle (kandungan nitrogen meningkat akibat tindakbalas dengan atmosfera)
H: Leburan besi dibiar seketika dalam laddle untuk bacaan suhu ( tiada perubahan nitrogen)
I: Proses tuangan ke acuan ( ada peningkatan kecil nitrogen)
Tempoh masa di mana kandungan nitrogen berjaya dikurangkan hanya pada saat skrap mulai lebur serta pada ketika pendidihan berlaku. Semasa tempoh C iaitu perleburan skrap, lapisan slaga mulai terbentuk dan ini menghalang tindabalas nitrogen atmosfera dengan permukaan leburan keluli dalam relau.
Teknik pengawalan kandungan nitrogen semasa proses perleburan.
- Kaedah pengawalan yang paling utama ialah memilih bahan suapan yang mengandungi kadar nitrogen yang rendah.
Selalunya bahan suapan yang digunakan seperti ‘pig iron’, bijih besi serta skrap mengandungi nitrogen. Di sinilah peranan awal DRI untuk dipilih sebagai bahan utama suapan untuk perleburan keluli kerana kandungan nitrogennya yang rendah. Pig iron juga mengandungi kandungan nitrogen yang rendah seperti DRI, akan tetapi pig iron memiliki kandungan fosforus dan sulfur yang amat tinggi serta tidak sesuai untuk perleburan keluli aloi rendah dan keluli tahan karat austenitik. Ia mungkin sesuai untuk kegunaan keluli bebas mesin (free cutting steel) yang menggunakan kandungan forforus yang banyak.
Jika pengeluar tetap ingin menggunakan skrap besi lama yang selalu digunakan, mereka boleh mengurangkan kandungan nitrogen melalui pemeriksaan spesifikasi skrap berkenaan menggunakan mesin penganalisa spektrometer. Pilihlah skrap yang terendah nitrogennya.
- Pencegahan penyerapan nitrogen dari atmosfera semasa proses perleburan.
Seperti yang dijelaskan dalam graf di atas, nitrogen diserap ke dalam mandian leburan keluli semasa proses perleburan bermula serta paling banyak terserap semasa proses pengarkaan. Dalam proses ini molekul N2 akan dipecahkan kepada monatomik nitrogen (N). Hal ini sama seperti mana percikan kilat boleh memecahkan molekul nitrogen di udara.
Penggunaan DRI juga menggalakkan pembentukan slanga pada awal perleburan keluli dan ini akan menghalang permukaan leburan keluli bertemu dengan atmosfera yang kaya dengan gas nitrogen. Semasa awal pengarkaan berlaku, slanga nipis yang berbuih telah terbit akibat penggunaan DRI. DRI akan membantu menghasilkan slanga yang terdiri daripada Silikon Oksida SiO2, Aluminum Oksida Al2O3, Kalsium Oksida CaO, Kalium Oksida K2O, Titanium Oksida TiO2, Magnesium Oksida MgO, dan Fosforus Pentaoksida P2O5, serta besi oksida FeO.
Relau arka elektrik juga perlu ditutup dengan rapi semasa pengarkaan berlaku untuk mengurangkan monatomik nitrogen yang terbentuk. Pembukaan pintu suapan dan lubang tapping tanpa sebab musabab perlu dikurangkan atau dielakkan.
Penggunaan gas nadir yang tidak mengandungi nitrogen seperti penggunaan argon dalam proses juga amat berkesan. Selalunya proses pengacauan (stirring) keluli lebur, pembersihan ‘laddle’ dan seumpamanya menggunakan udara biasa yang kaya dengan nitrogen. Jadi argon adalah pilihan yang terbaik di samping fungsi argon mampu menyejukkan (menurunkan sedikit) suhu leburan keluli kepada tahap suhu tuang yang sesuai dengan acuan yang disediakan. Di samping itu menembak argon ke dalam leburan keluli sehingga menerbitkan bebola buih besar mampu menangkap nitrogen dan membuang terus ke udara. Teknik ini dikenali sebagai suntikan argon ke dalam laddle.
Elakkan juga proses ‘tapping’ (penuangan dari relau ke laddle) pada suhu yang terlalu tinggi melebihi suhu tuangan yang ditetapkan. Hal ini kerana semakin tinggi suhu tapping, semakin mudah nitrogen luar memasuki leburan keluli itu semula.
Semasa proses penuangan, pastikan juga jarak antara lubang ‘bottom pour ladle’ (sesenduk tuangan bawah) dengan lubang tuangan (pouring cup) tidak terlalu jauh dan sebaiknya adalah sekadar jarak sekaki. Ketinggian jarak antara lubang ladle dengan tempat tuangan akan membenarkan penyerapan nitrogen semula.
- Penyah nitrogen daripada keluli
Teknik mudah untuk membuang nitrogen yang terserap juga ke dalam leburan keluli adalah melalui penghasilan pendidihan keluli sehingga terbitnya bebuih karbon monoksida. Jika pihak pengeluar enggan menggunakan DRI, karbon monoksida tetap terhasil namun ia perlu dikawal dengan baik untuk menghasilkan pendidihan yang terbaik. Pendidihan yang terbaik ialah selepas keluli mengalami proses ‘slag off’ (pembuangan slanga) yang terlalu banyak untuk membuang elemen-elemen lain yang menganggu penghasilkan bebuih karbon monoksida dan silikon oksida. Suhu juga dinaikkan sehingga menghasilkan bebuih karbon monoksida yang aktif untuk menangkap nitrogen.
Selain itu tenik penyahgas vakum juga merupakan teknik membuang nitrogen terperangkap dalam keluli. Namun ia jarang digunakan beserta dengan relau arka elektrik.
Terkini syarikat VESUVIUS telah menghasilkan tiub tuangan (pouring tube) yang diperbuat daripada grafit alumina di mana tiub ini mampu mengurangkan kenaikan kadar nitrogen dalam keluli yang telah dituang ke dalam acuan. Tiub ini kurang hakisan dan mengurangkan inklusi dalam casting yang mampu terurai membebaskan nitrogen.
Faedah nitrogen dalam perleburan
Walaupun banyak pengeluar keluli inginkan keluli terendah kandungan nitrogennya, namun begitu nitrogen tetap bermanfaat jika kuantitinya terkawal. Nitrogen akan bertindakbalas dengan elemen sisa membentuk Titanium Nitrida atau Vanadium Nitrida yang amat baik untuk menurunkan suhu perubahan fasa mulur-rapuh (Ductile-Brittle transition temperature). Suhu perubahan ini amat perlu direndahkan terutama untuk aplikasi di tempat iklim sejuk dan lautan sejuk.
Nitrogen juga boleh digunakan untuk memasukkan bahan untuk proses desulfurisasi ke dalam leburan besi (contohnya memasukan kalsium karbida) untuk menghilangkan sulfur dari besi. Hal ini khususnya bermanfaat pada produksi besi spheroidal graphite iron (SG, ductile)
Setiap ciptaan tuhan seperti gas-gas di udara memiliki kelebihan dan peranan tersendiri. Kajian dalam bidang metalurgi akan menghasilkan para jurutera dan pengkaji sains yang memahami kebesaran tuhan yang mencipta alam ini dengan segala rahsia dan sistem tersendiri.
Muhammad Nuruddin Bashah
Metalurgis Melayu
0 comments:
Post a Comment