Suasana di dalam tungku sabuk jala bukan hanya udara panas — melainkan lingkungan kimia yang dikontrol secara presisi yang menentukan apakah komponen yang dihasilkan akan cerah dan bersih atau teroksidasi dan mengalami dekarburisasi. Pengendalian atmosfer membedakan perusahaan pengolahan panas yang berkualitas dari yang biasa-biasa saja.
Tungku sabuk jala MONTE INTELLIGENCE beroperasi dengan berbagai sistem atmosfer tergantung pada persyaratan proses. Artikel ini membahas tiga jenis atmosfer terkontrol yang paling umum, peralatan pembangkitnya, dan parameter kontrol yang menentukan kualitas atmosfer.
Gas endotermik — "endo gas" di bengkel perlakuan panas — adalah atmosfer andalan untuk pengerasan netral, karburisasi, dan karbonitriding bagian baja. Gas ini dihasilkan dengan mereaksikan gas alam (atau propana) dengan udara dalam generator eksternal pada suhu sekitar 1050°C, di atas katalis nikel. Reaksi tersebut kira-kira adalah CH4 + 2,38 (0,21 O2 + 0,79 N2) → CO + 2 H2 + 1,88 N2, menghasilkan gas yang kira-kira terdiri dari 20% CO, 40% H2, dan 40% N2 berdasarkan volume.
Potensi karbon gas endo—kemampuannya untuk menambah atau menghilangkan karbon dari permukaan baja—bergantung pada rasio CO/CO2 dan suhu tungku. Pada suhu 850°C, gas endo dengan titik embun +5°C memiliki potensi karbon sekitar 0,35% C. Menurunkan titik embun menjadi -5°C meningkatkan potensi karbon menjadi sekitar 0,60% C. Hubungan ini diatur oleh reaksi pergeseran gas air: CO + H2O ↔ CO2 + H2, yang berarti bahwa pengendalian kandungan uap air (titik embun) mengendalikan potensi karbon.
Generator endotermik itu sendiri merupakan peralatan yang sangat penting. Generator ini terdiri dari retort yang dipanaskan dan diisi dengan katalis nikel, tempat campuran udara-gas melewatinya. Reaksi ini bersifat endotermik — menyerap panas — karena itulah namanya. Retort beroperasi pada suhu 1000-1100°C dan harus terbuat dari paduan suhu tinggi, biasanya RA330 atau Incoloy 800HT, dengan masa pakai desain 3-5 tahun operasi terus menerus. Kegagalan retort adalah penyebab umum penghentian operasional tungku yang tidak direncanakan, dan setiap pabrik perlakuan panas dengan gas endo harus menyimpan retort cadangan.
Katalis dalam generator mengalami degradasi seiring waktu karena pengendapan karbon (pengendapan kokas) dan keracunan sulfur dari gas alam. Sulfur merupakan masalah yang lebih besar: katalis nikel secara permanen diracuni oleh sulfur pada konsentrasi serendah beberapa bagian per juta. Spesifikasi gas alam biasanya mengizinkan hingga 30 ppm sulfur, yang jauh di atas toleransi katalis. Lapisan penghilang sulfur — karbon aktif atau seng oksida — di hulu generator sangat penting, dan lapisan tersebut harus diganti setiap 6-12 bulan tergantung pada kandungan sulfur gas.
Atmosfer nitrogen-metanol adalah alternatif gas endo untuk pabrik yang tidak ingin mengoperasikan generator endo. Atmosfer ini dibuat dengan menyuntikkan metanol cair (CH3OH) dan gas nitrogen langsung ke dalam tungku. Pada suhu tungku, metanol terdisosiasi: CH3OH → CO + 2 H2, menghasilkan rasio CO:H2 1:2 yang sama seperti gas endo. Nitrogen mengencerkan campuran untuk mencapai potensi karbon yang diinginkan.
Keunggulan nitrogen-metanol adalah kesederhanaannya — tanpa generator, tanpa katalis, tanpa retort. Sistem ini terdiri dari tangki penyimpanan metanol cair, pasokan nitrogen (tangki nitrogen cair atau generator nitrogen membran), panel kontrol aliran, dan nosel injeksi di dalam tungku. Proses penyalaan hanya membutuhkan waktu beberapa menit, berbeda dengan waktu berjam-jam yang dibutuhkan untuk memanaskan generator endo.
Kelemahannya adalah biaya. Metanol cair lebih mahal per unit atmosfer yang dihasilkan daripada gas alam. Dengan harga metanol tipikal $0,40-0,60 per liter, biaya atmosfer untuk tungku sabuk jala yang mengkonsumsi 40 liter metanol per jam adalah $16-24 per jam, atau sekitar $380-580 per hari operasi terus menerus. Generator endo yang menggunakan gas alam menghasilkan volume atmosfer yang sama dengan biaya sekitar 30-40% lebih rendah. Pilihan antara keduanya bergantung pada biaya modal versus biaya operasional, dan apakah pabrik memiliki kemampuan pemeliharaan untuk mengoperasikan generator endo secara andal.
Amonia terdisosiasi digunakan untuk proses anil cerah pada baja tahan karat, tembaga, dan kuningan — proses di mana atmosfer harus bersifat reduksi tetapi tidak menyebabkan karburisasi. Amonia anhidrat (NH3) didisosiasi dalam unit eksternal: 2 NH3 → N2 + 3 H2, menghasilkan gas yang terdiri dari 75% hidrogen dan 25% nitrogen berdasarkan volume. Atmosfer ini sangat reduksi — kandungan hidrogen yang tinggi mereduksi oksida logam apa pun pada permukaan bagian tersebut — dan tidak mengandung karbon, sehingga tidak ada risiko karburisasi atau dekarburisasi.
Disosiator beroperasi pada suhu sekitar 950°C dengan katalis besi-nikel dalam retort yang mirip dengan generator endo tetapi lebih kecil karena reaksi disosiasi amonia lebih sederhana dan lebih cepat. Pasokan amonia memerlukan penanganan yang hati-hati: amonia anhidrat adalah bahan kimia berbahaya yang memerlukan penyimpanan khusus, deteksi kebocoran, dan prosedur tanggap darurat. Gas yang terdisosiasi mudah terbakar karena kandungan hidrogennya yang tinggi dan harus ditangani dengan praktik keselamatan gas yang tepat.
Instrumen pengontrol atmosfer telah berevolusi dari pengukuran titik embun manual menjadi pengontrolan potensi karbon otomatis. Pendekatan modern menggunakan probe oksigen (sensor zirkonia) yang dimasukkan langsung ke zona panas tungku. Probe tersebut mengukur tekanan parsial oksigen di atmosfer tungku, dari mana potensi karbon dihitung berdasarkan kandungan CO dan suhu tungku. Sinyal probe mengontrol penambahan gas pengayaan (gas alam atau propana) untuk mempertahankan titik pengaturan potensi karbon.
Sensor oksigen memerlukan perawatan berkala. Ujung sensor harus dibersihkan dari jelaga dan endapan karbon, biasanya setiap 1-3 bulan tergantung pada potensi karbon yang dipertahankan. Sensor harus dikalibrasi terhadap referensi — baik analisis karbon shim stock atau meter titik embun portabel — setidaknya setiap tiga bulan. Sensor yang melenceng 0,05% dalam pembacaan potensi karbonnya dapat menghasilkan komponen yang kekerasannya melenceng 1-2 poin HRC dari target, yang dapat menjadi perbedaan antara lot yang lulus dan lot yang gagal.
MONTE INTELLIGENCE memasok tungku sabuk jala dengan sistem atmosfer terintegrasi, termasuk generator endo, panel nitrogen-metanol, dan disosiasi amonia. Kami juga menyediakan instrumentasi kontrol atmosfer dan dukungan komisioning.
Untuk spesifikasi sistem atmosfer untuk proses perlakuan panas Anda, hubungi helenxu@cnlymonte.com.
