Pengembangan Teknologi dan Peralatan Unit Pemurnian dan Penghilangan Gas Secara Online untuk Logam Aluminium Cair

11 April Pengembangan Teknologi dan Peralatan Pemurnian serta Penghilangan Gas Secara Online untuk Cairan Aluminium

Posted at 08:02h in Penghilangan Gas dari Aluminium, SEO by AdTech 0 Comments

0 Likes

Abstrak: Proses penghilangan gas secara daring (unit penghilang gas) diteliti, dan berdasarkan karakteristik beberapa jenis proses serta peralatan degassing online aluminium dan paduan aluminium yang umum digunakan saat ini, degasser tipe kotak, degasser tipe saluran, dan degasser vakum dijelaskan secara terperinci. Karakteristik struktural dan fitur-fitur penting lainnya dari degasser online aluminium dan paduan aluminium yang umum ini, memperkenalkan perkembangan terbaru dalam degassing online unit penghilang gas Teknologi penghilang gas ultrasonik serta evaluasi menyeluruh terhadap penghilang gas online yang umum digunakan untuk aluminium dan paduan aluminium ini akan membantu bengkel pengecoran aluminium dalam memilih proses dan peralatan penghilang gas yang tepat guna meningkatkan kualitas aluminium dan paduan aluminium.

Kata kunci: aluminium cair; proses penghilangan gas dalam pemurnian secara online; kelebihan dan kekurangan
Ada banyak faktor yang memengaruhi kualitas aluminium dan paduannya; di antaranya, kandungan hidrogen, inklusi, serta konsentrasi logam alkali dalam aluminium cair merupakan faktor terpenting bagi kualitas paduan aluminium. Produsen besar dan lembaga penelitian di dalam dan luar negeri telah menginvestasikan banyak sumber daya dalam penelitian mengenai cara mengurangi kandungan hidrogen dan kandungan inklusi dalam aluminium cair, dan banyak proses serta peralatan baru telah muncul di pasaran.
1. Proses penghilangan gas secara daring
Proses penghilangan gas secara online secara garis besar dapat dibagi menjadi metode peniupan gas, metode pemurnian vakum, dan metode pemurnian ultrasonik. Artikel ini berfokus pada metode peniupan gas.
1.1 Prinsip metode peniupan gas
Metode peniupan gas, yang juga dikenal sebagai metode flotasi, pada dasarnya bertujuan untuk membentuk banyak gelembung kecil setelah gas inert ditiupkan ke dalam aluminium cair. Tekanan awal hidrogen di dalam gelembung adalah nol, dan terdapat perbedaan tekanan hidrogen pada antarmuka antara gelembung dan cairan aluminium sehingga hidrogen yang terlarut dalam cairan aluminium terus-menerus tersedot ke dalam gelembung. Proses hisapan ini berlangsung hingga tekanan hidrogen di dalam gelembung dan cairan aluminium menjadi sama, sehingga proses tersebut berhenti. Setelah gelembung-gelembung tersebut muncul ke permukaan, hidrogen di dalamnya keluar dan masuk ke atmosfer.
Diagram skematis prinsip penghilangan hidrogen ditunjukkan pada Gambar 1.

Diagram skematis prinsip penghilangan hidrogen

Selain itu, ketika gelembung-gelembung tersebut melewati cairan logam, mereka bertemu dengan inklusi oksida di dalam cairan logam, dan inklusi-inklusi tersebut teradsorpsi pada permukaan gelembung-gelembung tersebut lalu naik ke permukaan cairan logam bersama gelembung-gelembung tersebut untuk kemudian dihilangkan. Diagram skematis proses penghilangan inklusi ditunjukkan pada Gambar 2.
Oleh karena itu, proses naiknya gelembung tidak hanya dapat mengeluarkan hidrogen untuk mencapai efek penghilangan gas, tetapi juga mengeluarkan inklusi oksidasi untuk mencapai efek pemurnian.

Diagram skematis prinsip penghilangan inklusi

1.2 Metode penambahan gas inert
Dalam metode peniupan gas, cara memasukkan gas inert ke dalam aluminium cair memiliki pengaruh yang besar terhadap hasil degassing dan pemurnian. Saat ini, terdapat tiga metode yang umum digunakan untuk memasukkan gas inert ke dalam aluminium cair di pabrik pengecoran, yaitu pipa degassing, bata ventilasi, dan sistem berputar unit penghilang gas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Metode penambahan gas inert

Metode paling sederhana dalam teknik peniupan gas adalah dengan memasukkan tabung pemurnian (biasanya tabung baja berenamel) ke dalam aluminium cair, lalu mengalirkan gas inert ke dalamnya. Metode penghilangan gas dengan satu lubang dan satu tabung ini memiliki efektivitas penghilangan gas yang rendah. Ada pula beberapa pabrik pengecoran yang memasang bata berpori di bagian bawah tungku. Gas inert mengalir melalui batu bata berpori tersebut untuk membentuk banyak gelembung. Dibandingkan dengan metode peniupan satu lubang, efek degassing dan pemurnian dari metode peniupan berpori sedikit lebih baik; namun, batu bata berpori memiliki kelemahan seperti mudah tersumbat, kebocoran cairan aluminium, sulit dalam pemeliharaan, permukaan cairan yang bergolak parah, serta pembentukan terak yang lebih banyak.
Seiring dengan semakin mendalamnya penelitian, berbagai metode degassing rotari pun bermunculan satu demi satu. Prinsip dasarnya adalah gas inert disemprotkan ke dalam aluminium cair melalui rotor yang berputar untuk membentuk sejumlah besar gelembung-gelembung kecil yang tersebar, sehingga melakukan proses degassing dan pemurnian. Untuk meningkatkan efisiensi penghilangan gas, jumlah gelembung gas inert harus sebanyak mungkin, diameter gelembung gas inert harus kecil, waktu tinggal gelembung gas inert dalam cairan aluminium harus lama, dan permukaan cairan aluminium harus sestabil mungkin.
Untuk mencapai tujuan di atas, setiap produsen degasser memiliki ciri khas masing-masing dalam desain rotor/batang putar, lapisan dalam kotak, dan metode penyegelan kotak, sehingga menghasilkan berbagai jenis degasser yang saat ini beredar di pasaran. Berdasarkan proses degassing dan karakteristik struktur degasser, alat ini secara umum dapat dibagi menjadi degasser tipe kotak, degasser tipe saluran, degasser vakum, dan degasser ultrasonik.
Berdasarkan data statistik yang belum lengkap, 99% dari degasser online yang saat ini beredar di pasaran merupakan degasser rotari tipe kotak. Degasser tipe kotak tersebut meliputi degasser SNIF dan ILDU dari PYROTEK di Amerika Serikat, degasser Reveot dari Apogee di Amerika Serikat, degasser APLUR dari Novelis di Prancis, degasser Fujiko GBF di Jepang, dan degasser Mitsui (Jepang). Degasser TKR dan degasser Alcoa (Alcoa) 622 merupakan jenis yang paling umum; degasser tipe launder adalah jenis ACD yang paling umum diproduksi oleh perusahaan STAS Kanada; sedangkan degasser vakum adalah Hycast yang diproduksi oleh Hydro. I-60Sir merupakan jenis yang paling umum.
Dalam beberapa tahun terakhir, Southwire Co., Ltd. (Southwire) di Amerika Serikat telah mengembangkan alat penghilang gas ultrasonik yang baru.
2. Daring unit penghilang gas
2.1 Kotak penghilang gas
Struktur degasser tipe SNIF box yang diproduksi oleh American Pilotec ditunjukkan pada Gambar 4.

Diagram skematis struktur degasser SNIF

Aluminium cair mengalir ke dalam kotak degasser dan tertahan di lapisan tahan api. Kotak tersebut dilengkapi pemanas untuk menjaga aluminium cair tetap dalam keadaan cair. Setelah gas inert disemprotkan oleh rotor yang berputar, gas tersebut dipecah menjadi gelembung-gelembung kecil yang tak terhitung jumlahnya oleh rotor yang berputar dengan kecepatan tinggi, dan gelembung-gelembung kecil tersebut menyebar dan naik ke dalam cairan aluminium, sehingga menghilangkan hidrogen. Selama proses naiknya gelembung-gelembung kecil tersebut, akibat efek tegangan permukaan, sebagian inklusi akan terangkat dari aluminium cair ke permukaan cairan, membentuk buih untuk menghilangkan inklusi dalam aluminium cair; pada saat yang sama, melalui pengadukan yang dilakukan oleh rotor, komposisi paduan aluminium cair menjadi lebih seragam.
Ciri paling menonjol dari degasser tipe kotak adalah stator grafit dan struktur rotor grafit. Stator grafit tidak berputar di dalam cairan aluminium dan berfungsi sebagai lapisan pelindung luar bagi rakitan rotor grafit. Batang grafit dan rotor grafit dirakit bersama untuk mengaduk cairan aluminium. Gas inert mengalir melalui celah antara stator dan batang grafit, kemudian disemprotkan ke dalam aluminium cair dari tepi bawah stator dan alur pada tepi atas rotor grafit. Mode sirkulasi aluminium cair menggunakan batang/rotor grafit SNIF ditunjukkan pada Gambar 5.

Mode sirkulasi cairan dengan batang putar/rotor aluminium SNIF

Melalui gaya geser yang dihasilkan oleh rotor grafit, aluminium cair dialirkan ke bawah, sehingga mengimbangi pengaruh daya apung alami, sehingga gelembung udara yang dikeluarkan dari rotor dan stator disemprotkan secara radial dan tersebar merata di dalam aluminium cair untuk mencapai efek degassing dan pemurnian yang optimal. Pada seri lain degasser tipe kotak ILDU yang diproduksi oleh Parrotec Amerika, fitur yang menonjol adalah batang/rotor berputar (lihat Gambar 6).

ILDU Batang/Rotor

Bahan batang putar/rotor ini adalah BTS baru. Saat ini, bahan-bahan yang digunakan untuk rotor degasser lainnya umumnya adalah grafit, silikon karbida, dan silikon nitrida. Grafit mudah terbakar dan teroksidasi pada suhu tinggi (sekitar 750°C), yang menyebabkan retak atau terkelupas, sehingga mencemari cairan aluminium; rotor cor silikon karbida tidak tahan terhadap guncangan termal, dan mudah pecah saat pendinginan cepat dan guncangan termal; biaya batang putar/rotor silikon nitrida terlalu tinggi. Namun, bagian dalam rotor BST terbuat dari bahan grafit dan bagian luarnya disinter dengan bahan tahan api, yang berhasil mengatasi kekurangan dari ketiga bahan di atas. Menurut statistik, masa pakainya mencapai lebih dari 1 tahun pada jalur pengecoran dan penggulungan berkelanjutan.
Keunggulan yang jelas dari degasser tipe kotak adalah sebagai berikut: 1) Meningkatkan waktu tinggal gelembung, sehingga meningkatkan efektivitas penghilangan gas dan pemurnian; 2) Menjaga suhu aluminium cair di dalam kotak agar sama dengan atau lebih tinggi dari suhu pengecoran, sehingga menurunkan suhu tungku penahan; 3) mengurangi fluktuasi suhu pengecoran. Kelemahannya adalah ruang pemasangan yang dibutuhkan untuk perangkat ini relatif besar.
2.2 Penghilang gas tipe launder
Degasser tipe palung menggunakan rotor/batang untuk memutar dan menyempurnakan proses degassing. Perbedaan utama dalam struktur antara degasser tipe launder dan degasser tipe kotak adalah bahwa substrat bagian dalam degasser tipe launder sejajar dengan substrat bagian dalam launder pada jalur produksi pengecoran, sehingga degasser tidak memiliki sisa aluminium. Diagram struktur degasser tipe launder ditunjukkan pada Gambar 7.

Diagram skematik unit penghilang gas tipe launder

Penutup kedap udara dan tangki degassing pada degasser tipe launder membentuk ruang yang relatif tertutup rapat. Saat memulai proses pengecoran, aluminium cair masuk ke dalam tangki degassing melalui aliran terendam. Ketika ketinggian cairan aluminium di dalam tangki degassing melebihi 200 mm, rotor mulai mengaduk cairan aluminium dan menyemprotkan gas inert ke dalam cairan aluminium untuk menghilangkan gas dan memurnikan cairan aluminium di dalam tangki degassing. Dibandingkan dengan degasser tipe kotak tradisional, degasser tipe palung memiliki keunggulan berupa tidak adanya sisa aluminium dan ukuran yang ringkas. Kekurangannya juga jelas: karena kedalaman cairan aluminium pada degasser tipe saluran lebih dangkal, waktu tinggal gelembung di dalam cairan aluminium menjadi lebih singkat, sehingga efek penghilangan gasnya sedikit lebih rendah dibandingkan degasser tipe kotak. Karena tidak ada sistem pemanas, suhu aluminium cair akan menurun (biasanya sebesar 10–35°C) saat melewati unit penghilang gas, yang akan memengaruhi proses pengecoran selanjutnya.
Kecepatan batang grafit/rotor pada degasser tipe launder sangat tinggi (>1000 putaran per menit), sehingga masa pakai batang grafit/rotor tersebut menjadi singkat dan menghasilkan lebih banyak terak. Karena gelembung-gelembung tersebut hanya berada dalam aluminium cair dalam waktu singkat, yang memengaruhi efektivitas degassing, operator umumnya mengatasi efek negatif ini dengan meningkatkan laju aliran gas inert, yang mengakibatkan konsumsi gas inert yang besar.

(filter keramik berpori)
2.3 Penghilang gas vakum
Struktur degasser vakum mirip dengan degasser tipe launder, yang terbagi menjadi dua bagian: unit degassing dan ruang degassing vakum (lihat Gambar 8).

unit penghilang gas vakum

Ruang degassing vakum dapat dibedakan menjadi tipe satu ruang, dua ruang, dan multi-ruang, tergantung pada laju aliran aluminium cair. Perbedaan antara degasser tipe kotak dan tipe saluran terletak pada rotor grafit pada degasser vakum yang dipasang di bagian bawah ruang degassing. Bagian bawah ruang degassing dilengkapi dengan celah sehingga ruang degassing vakum terhubung dengan unit degassing (lihat Gambar 9). Saat aluminium cair mengalir melalui unit degassing, ruang degassing membentuk tekanan negatif di bawah aksi pompa vakum atau metode lain, sehingga meningkatkan ketinggian permukaan aluminium cair di dalam ruang degassing vakum. Setelah ketinggian cairan aluminium mencapai ketinggian tertentu, rotor grafit mulai berputar dan menyuntikkan gas inert untuk menghilangkan gas dan memurnikan cairan aluminium. Setelah proses penghilangan gas selesai, tekanan negatif di dalam ruang vakum dilepaskan, dan ketinggian cairan aluminium di dalam ruang vakum turun hingga setara dengan ketinggian cairan di unit penghilang gas.

Struktur internal ruang degassing vakum

Alat penghilang gas vakum memiliki keunggulan berupa tidak adanya sisa aluminium dan ukuran yang ringkas. Selain itu, karena cairan aluminium dihilangkan gasnya dan diaduk dalam kondisi vakum, kandungan oksida menjadi lebih sedikit dan cairan aluminium tersebut relatif bersih. Kekurangan degasser vakum: 1) Persyaratan kebersihan aluminium cair yang tinggi; 2) Karena rotor grafit dipasang di bagian bawah, dan terdapat lebih banyak terak di bagian bawah aluminium cair, rotor grafit mudah aus. Saat ini, degasser vakum belum banyak digunakan di pasaran.
2.4 Alat penghilang gas ultrasonik
Alat penghilang gas ultrasonik adalah jenis alat penghilang gas baru yang berhasil dikembangkan oleh South Line Co., Ltd. di Amerika Serikat. Alat penghilang gas ultrasonik ini berbeda dari alat penghilang gas tradisional yang menggunakan rotor berputar; strukturnya mencakup pemancar ultrasonik dan probe ultrasoniknya (lihat Gambar 10).