Mengoptimalkan Kualitas Baja: Peran Kritis Deoksidasi

Deoksidasi Baja

Proses pembuatan baja terdiri dari pemurnian besi kasar menjadi baja yang dilakukan di bawah atmosfer oksidasi. Selama proses pemurnian, oksigen larut dalam baja. Berikut adalah sumber utama oksigen dalam baja.

• Penghembusan oksigen
• Penggunaan escoria oksidasi dan bijih besi selama proses pembuatan baja
• Pengambilan oksigen atmosfer oleh baja cair selama operasi tuang
• Refraktori oksidasi dari lapisan
• Besi bekas yang karat dan basah.

Deoksidasi adalah tahap terakhir dalam pembuatan baja. Selama pembuatan baja, kolam baja pada waktu tapping mengandung aktivitas oksigen 400 hingga 800 ppm. Deoksidasi dilakukan selama tapping dengan menambahkan jumlah yang sesuai dari ferro alloy atau deoksidator khusus ke dalam tong tuang. Jika di akhir tiupan kandungan karbon baja di bawah spesifikasi, baja cair juga direkarburasi di tong tuang. Namun, penambahan besar di tong tuang memiliki efek buruk pada suhu baja cair.

Kelarutan oksigen dalam baja sangat kecil. Pada pengesahan baja cair, oksigen berlebih ditolak oleh baja yang mengeras. Kelarutan oksigen dalam baja cair adalah 0,23 persen pada 1700 derajat C. Ini menurun selama proses pendinginan dan kemudian jatuh secara tajam selama pengesahan baja cair mencapai 0,003 persen dalam baja padat.

Oksigen berlebih yang dilepaskan dari larutan padat mengoksidasi komponen baja seperti C, Fe, dan elemen pelarut yang mengakibatkan gelembung udara dan inklusi non-logam yang terperangkap dalam struktur baja cetak. Keduanya gelembung udara dan inklusi memiliki efek yang signifikan pada properti mekanik dan berdampak negatif pada kualitas baja.

Untuk mencegah oksidasi komponen baja selama pengesahan, kandungan oksigen baja cair perlu dikurangi. Ini dilakukan dengan deoksidasi baja yang merupakan operasi teknologis pembuatan baja, di mana konsentrasi (aktivitas) oksigen yang larut dalam baja cair dikurangi ke tingkat yang diperlukan. Selain produksi baja yang utuh dengan menghilangkan gelembung udara dan meminimalkan inklusi non-logam, deoksidasi juga digunakan untuk kontrol ukuran butir untuk meningkatkan keawetan baja.

Beberapa strategi telah dikembangkan untuk deoksidasi baja. Ini dapat dicapai dengan menambahkan agen deoksidasi logam ke baja cair baik sebelum atau setelah ditapping, atau dengan perawatan vakum, di mana karbon yang larut dalam baja adalah deoksidator. Selain deoksidasi dengan deoksidator logam dan deoksidasi dengan vakum, satu metode deoksidasi lainnya yaitu deoksidasi difusi kadang-kadang digunakan.

Menurut tingkat deoksidasi, ada empat jenis deoksidasi yang bervariasi dari deoksidasi penuh hingga deoksidasi ringan. Tidak ada dari berbagai jenis yang lebih baik dari yang lain, tetapi masing-masing berguna dalam halnya sendiri. Menurut tingkat deoksidasi, baja karbon dapat dibagi menjadi empat grup.

• Baja rimming – Baja ini adalah baja karbon rendah yang sebagian deoksidasi atau tidak deoksidasi yang mengeluarkan jumlah yang cukup karbon monoksida selama pengesahan. Ingot baja rimming ditandai oleh kualitas permukaan yang baik dan jumlah yang cukup gelembung udara. Baja rimming biasanya ditapping tanpa menambahkan deoksidator ke baja di tungku atau hanya penambahan kecil ke baja cair di tong tuang, untuk memiliki oksigen yang cukup untuk memberikan evolusi gas yang diinginkan dengan bereaksi di cetakan dengan karbon. Prosedur tepat yang diikuti tergantung pada apakah baja memiliki kandungan karbon dalam rentang yang lebih tinggi (C=0,12 persen hingga 0,15 persen) atau dalam rentang yang lebih rendah (C = 0,10 persen maks). Ketika baja cair di cetakan ingot mulai mengeras, ada evolusi gas karbon monoksida (CO) yang aktif, menghasilkan kulit ingot luar dari baja yang relatif bersih dengan karbon rendah dan solute lain. Ingot seperti ini paling cocok untuk pembuatan batang elektroda dan lembar baja.
• Baja capped – Praktik baja capped adalah variasi dari praktik baja rimming. Aksi rimming diizinkan untuk dimulai secara normal, tetapi kemudian dihentikan setelah satu menit atau lebih dengan menutup cetakan dengan tutup besi cor. Praktik ini biasanya diterapkan pada baja dengan kandungan karbon lebih dari 0,15 persen. Praktik ingot capped biasanya menemukan aplikasi dalam produksi lembar, strip, kawat, dan batang.
• Baja semi killed – Baja ini adalah baja yang tidak sepenuhnya deoksidasi yang mengandung sejumlah oksigen berlebih, yang bereaksi dengan karbon membentuk jumlah yang cukup karbon monoksida selama pengesahan baja cair untuk menyeimbangkan penyusutan pengesahan. Baja ini biasanya memiliki kandungan karbon dalam kisaran 0,15 persen hingga 0,30 persen dan menemukan aplikasi luas dalam bentuk struktur.
• Baja killed – Baja ini deoksidasi sejauh itu sehingga selama pengesahan tidak ada pembentukan dan evolusi karbon monoksida. Ingot dan cetakan baja killed memiliki struktur homogen dan tidak ada porositas gas (gelembung udara). Aluminium digunakan untuk deoksidasi, bersama dengan ferro alloy mangan dan silikon. Dalam beberapa kasus kalsium silisida atau deoksidator kuat khusus digunakan. Untuk meminimalkan piping, hampir semua baja killed dicetak di cetakan hot topped big end up. Untuk penyamburan berkelanjutan, baja cair harus sepenuhnya killed untuk casting yang bebas cacat. Baja killed biasanya digunakan ketika struktur homogen diperlukan dalam baja yang selesai. Baja pelarut, baja untuk forging, dan baja untuk carburizing adalah jenis ini, ketika kualitas esensial adalah keutuhan. Dalam produksi baja penarik dalam yang sangat dalam, baja karbon rendah (C= 0,12 persen maks) killed, biasanya dengan jumlah aluminium yang besar yang ditambahkan di tong, di cetakan, atau keduanya. Meskipun deoksidasi baja oleh aluminium menekan pembentukan karbon monoksida selama pengesahan, dan consequently menekan gelembung udara, ada banyak operasi pemrosesan baja di mana pembunuhan aluminium baja tidak diinginkan.

Ada terutama tiga elemen yang digunakan dalam deoksidasi baja. Ini adalah mangan (Mn), silikon (Si) dan aluminium (Al). Mangan dan silikon ditambahkan dalam bentuk ferro alloy karbon tinggi atau karbon rendah atau sebagai legur silico-manganese (Si-Mn). Aluminium yang ditambahkan untuk deoksidasi memiliki tingkat kemurnian sekitar 98 persen. Kadang-kadang kalsium (Ca) juga digunakan untuk deoksidasi.

Kalsium adalah deoksidator yang paling efisien dan Si tidak begitu efisien dibandingkan dengan Ca. Al juga merupakan elemen deoksidasi yang kuat ketika dibandingkan dengan Si. Meskipun Ca dan Al adalah deoksidator yang sangat efisien, tetapi mereka oksidasi sangat cepat dan selain itu, kepadatan mereka jauh lebih rendah dari baja. Juga Ca memiliki titik didih 1485 derajat C yang berarti Ca dalam fase gas pada suhu pembuatan baja. Metode injeksi yang sesuai atau metode penambahan diperlukan untuk deoksidasi dengan Ca.

Deoksidasi dapat dilakukan baik oleh satu elemen seperti Si, Al, Mn, dll atau oleh campuran elemen seperti Si + Mn, Ca-Si-Al, dll. Deoksidasi oleh satu elemen dikenal sebagai deoksidasi sederhana.

Sedangkan deoksidasi oleh campuran elemen dikenal sebagai deoksidasi kompleks. Dalam deoksidasi sederhana dan kompleks, oksida terbentuk; oleh karena itu juga disebut deoksidasi presipitasi. Deoksidasi juga dilakukan oleh karbon di bawah vakum; yang disebut deoksidasi vakum. Elemen ditambahkan dalam bentuk Ferroalloys Fe-Si, Fe-Mn atau Fe-Si + Fe-Mn, dll. Dalam deoksidasi kompleks di mana campuran Si + Mn, Ca + Si, Ca + Si + Al digunakan, keuntungan berikut dilaporkan dibandingkan dengan yang sederhana.

• Oksigen terlarut lebih rendah.
• Karena pembentukan produk deoksidasi cair, pengaglomerasi produk menjadi ukuran besar dapat diperoleh dengan mudah dan dapat mengapung dengan mudah.

Deoksidasi dengan Fe-Mn

Ketika baja sebagian deoksidasi dengan Mn, besi juga ikut serta dalam reaksi, membentuk Mn (Fe) O cair atau padat sebagai produk deoksidasi.

[Mn] + [O] = MnO

[Fe] + [O] = FeO

Keadaan setimbang baja dengan produk deoksidasi Mn (Fe) O ditunjukkan dalam Gambar 1.

Gambar 1 Mangan dan kandungan oksigen besi dalam setimbang dengan FeO – MnO larutan cair atau padat

Deoksidasi dengan Si dan Mn

Deoksidasi oleh Si jauh lebih lengkap daripada oleh Mn dan deoksidasi simultan oleh kedua elemen ini memberikan oksigen sisa yang lebih rendah dalam larutan, karena aktivitas Si yang berkurang. Terkait konsentrasi Si dan Mn yang ditambahkan ke baja di tong tuang, produk deoksidasi akan berupa mangan silikat cair (MnO.SiO2) atau silika padat (SiO2).

[Si] + 2[O] = SiO2 (1)

[Mn] + [O] = MnO (2)

Salah satu studi pionir awal tentang kesetimbangan reaksi escoria-logam adalah yang diatribusikan kepada Korber dan Oelsen untuk pengukuran distribusi setimbang Mn dan Si antara besi cair dan escoria MnO-FeO-SiO2 yang tersaturasi dengan SiO2. Hasil eksperimen mereka pada 1600 ± 10 derajat C ditunjukkan dalam Gambar 2.

Gambar 2 Konsentrasi Mn, Si dan O dalam besi cair yang di-setimbangkan dengan SiO2. Larutan mangan silikat yang terpuaskan meleleh pada 1600 ± 10 derajat C

Deoksidasi dengan Si, Mn dan Al

Baja semi killed dengan oksigen terlarut sisa dalam kisaran 40 hingga 23 ppm dibuat dengan deoksidasi baja di tong tuang dengan penambahan sejumlah kecil aluminium bersama dengan silico-manganese atau kombinasi ferrosilicon dan ferromanganese. Dalam hal ini, produk deoksidasi adalah mangan-alumino-silikat cair yang memiliki komposisi mirip dengan 3MnO.Al2O3.SiO2. Dengan penambahan aluminium kecil, mis. sekitar 15 kg untuk 100 t heat bersama dengan Si/Mn hampir semua aluminium dikonsumsi dalam deoksidasi gabungan ini dengan Si dan Mn. Oksigen terlarut aluminium sisa dalam baja akan kurang dari 10 ppm. Kesetimbangan deoksidasi dengan Si dan Mn dibandingkan dengan Al, Si dan Mn untuk produk deoksidasi yang tersaturasi dengan Al2O3 ditunjukkan dalam Gambar 3.

Gambar 3 Kesetimbangan deoksidasi dengan Si dan Mn dibandingkan dengan Al, Si dan Mn untuk produk deoksidasi yang tersaturasi dengan Al2O3

Deoksidasi dengan Al

Aluminium adalah deoksidator yang sangat efektif yang digunakan dalam sebagian besar operasi pembuatan baja. Biasanya deoksidasi aluminium dilakukan di tong tuang. Dalam beberapa kasus penambahan Al juga dilakukan di cetakan selama casting ingot atau penyamburan berkelanjutan. Hubungan setimbang yang jelas untuk produk deoksidasi: Al2O3 murni dan kalsium aluminate cair dengan rasio CaO/Al2O3 sebesar 1 ditunjukkan dalam Gambar 4.

Fig 4 Deoksidasi dengan Al dalam setimbang dengan Al2O3 atau kalsium aluminate cair dengan CaO/Al2O3 sebesar 1

Ketika baja killed Al diperlakukan dengan Ca-Si, inklusi alumina dikonversi menjadi kalsium aluminate cair. Untuk rasio CaO/Al2O3 sebesar 1 aktivitas Al2O3 adalah 0,064 dengan rigu Al2O3 murni pada suhu dalam kisaran 1500 -1700 derajat C.