Oksigen sangat penting sekaligus merugikan dalam Pembuatan Baja. Meskipun penghembusan oksigen merupakan hal mendasar dalam pemurnian tungku oksigen dasar (BOF) dan tungku busur listrik (EAF) untuk menghilangkan karbon, fosfor, dan silikon, Oksigen terlarut yang tersisa setelah penyadapan harus dikontrol secara ketat.Oksigen yang tidak terkontrol menyebabkan porositas gas, kerapuhan, dan yang paling penting, pembentukan inklusi non-logam yang mengganggu sifat mekanik, umur kelelahan, dan kualitas permukaan.

Pembuatan Baja modern menuntut pemahaman mendalam tentang aktivitas oksigen, kesetimbangan Deoksidasi, dan rekayasa inklusi. Artikel ini mengkaji bagaimana oksigen terlarut mendorong pembentukan inklusi dan menyajikan strategi praktis untuk praktik Deoksidasi optimal di berbagai jenis baja.

Tantangan Oksigen: Dari BOF ke Tundish

Pada akhir proses BOF atau EAF, baja cair mengandung 400–800 ppm oksigen terlarut, terutama dalam kesetimbangan dengan karbon. Sebagai referensi, sebagian besar Produk baja jadi membutuhkan kadar oksigen di bawah 30 ppm, dengan aplikasi kritis (baja bantalan, baja pegas) membutuhkan kurang dari 10 ppm total oksigen. Langkah Deoksidasi — menambahkan unsur-unsur dengan afinitas oksigen tinggi — harus menghilangkan sebagian besar oksigen ini sambil mengelola populasi inklusi yang tak terhindarkan yang dihasilkan.

“Setiap bagian per juta oksigen yang dihilangkan akan menghasilkan sekitar 3–5 ppm inklusi oksida. Tujuannya bukan hanya untuk menghilangkan oksigen, tetapi juga untuk membuat inklusi yang dihasilkan menjadi tidak berbahaya.”

Reaksi Deoksidasi fundamental dapat direpresentasikan sebagai: x[M] + y[O] → MₓOy (s atau l)Pemilihan zat pereduksi oksidatif menentukan kimia inklusi, morfologi, dan perilaku penghilangan. Mari kita periksa sistem Deoksidasi yang paling umum.

Deoksidasi Aluminium: Efisiensi Tinggi, Risiko Inklusi Tinggi

Aluminium adalah deoksidator yang paling ampuh dan hemat biaya, mampu mengurangi oksigen terlarut menjadi 2–5 ppm dalam kondisi kesetimbangan. Reaksi tersebut adalah: 2Al + 3[O] → Al₂O₃(s)Namun, inklusi alumina (Al₂O₃) yang dihasilkan bersifat padat, keras, dan sering membentuk gumpalan yang sulit dihilangkan sepenuhnya. Inklusi ini merugikan umur kelelahan, kemampuan pemesinan, dan hasil akhir permukaan. Dalam pengecoran kontinu, penumpukan alumina di nosel masuk terendam (SEN) merupakan tantangan operasional yang terus-menerus.

Mikrograf yang menunjukkan gugusan inklusi alumina dalam baja yang telah dihilangkan aluminiumnya.
Gambar 1: Gugusan inklusi alumina (untaian gelap) dalam baja yang telah dihilangkan aluminiumnya — sumber cacat umum.

Praktik terbaik untuk Deoksidasi Al: Untuk baja yang sepenuhnya diolah dan membutuhkan total oksigen yang sangat rendah, gunakan 0,5–1,2 kg Al per ton baja. Lanjutkan dengan pengadukan argon untuk mendorong flotasi inklusi dan, jika memungkinkan, perlakuan kalsium untuk memodifikasi alumina menjadi kalsium aluminat cair.

Deoksidasi Silikon-Mangan: Inklusi Cair, Baja yang Lebih Bersih

Kombinasi silikon dan mangan menawarkan keunggulan yang berbeda: produk deoksidasinya adalah... mangan silikat cair (MnO·SiO₂) pada suhu Pembuatan Baja. Inklusi cair lebih mudah menyatu dan mengapung lebih cepat daripada oksida padat. Reaksinya sebagai berikut: [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)₂·SiO₂(l)Meskipun Deoksidasi silikon-mangan tidak mencapai kadar oksigen serendah aluminium (biasanya 20–40 ppm O sisa), populasi inklusi yang dihasilkan lebih kecil, lebih bulat, dan kurang berbahaya. Untuk banyak jenis baja struktural, Deoksidasi Si-Mn memberikan keseimbangan optimal antara kebersihan dan biaya.

Tips praktis: Pertahankan rasio Mn/Si target 3:1 hingga 5:1 untuk memastikan pembentukan oksida cair. Gunakan bahan berkualitas tinggi. Paduan silikon-mangan (SiMn) dengan komposisi kimia yang konsisten untuk hasil yang dapat direproduksi.

Perawatan Kalsium: Memodifikasi Inklusi untuk Kinerja Unggul

Kalsium jarang digunakan sebagai deoksidator utama karena biayanya yang tinggi dan tingkat pemulihannya yang rendah, tetapi tak tertandingi sebagai pengubah inklusiKetika ditambahkan ke baja yang telah diolah dengan aluminium (biasanya melalui kawat inti paduan kalsium silikon), kalsium bereaksi dengan inklusi alumina padat untuk membentuk kalsium aluminat dengan titik leleh rendah (misalnya, 12CaO·7Al₂O₃, titik leleh ~1455°C). Inklusi berbentuk bulat ini kurang berbahaya bagi sifat mekanik dan secara signifikan mengurangi penyumbatan nosel selama pengecoran kontinu.

“Perlakuan kalsium mengubah titik lemah Deoksidasi aluminium — gugus alumina — menjadi fase inklusi globular yang mudah dikelola.”

Pedoman penambahan kalsium: Untuk modifikasi optimal, targetkan rasio Ca/Al sebesar 0,10–0,15. Kalsium berlebih menyebabkan pembentukan CaS, yang dapat mengeras kembali dan menyebabkan masalah pengecoran lainnya. Presisi sangat penting; praktik modern menggunakan Injeksi kawat inti paduan kalsium silikon dengan umpan balik secara waktu nyata.

Inklusi kalsium aluminat globular setelah perawatan kalsium
Gambar 2: Inklusi kalsium aluminat berbentuk bulat — morfologi yang diinginkan setelah perlakuan kalsium yang tepat.

Pengukuran dan Pemantauan Aktivitas Oksigen

Pembuatan Baja modern bergantung pada sensor oksigen elektrokimia (Berbasis ZrO₂) untuk mengukur aktivitas oksigen terlarut secara langsung di dalam sendok tuang. Pengukuran ini memandu penambahan deoksidan, mengurangi perlakuan berlebihan dan kurang perlakuan. Target oksigen utama berdasarkan tahapan proses:

  • Akhir dari BOF/EAF: 400–800 ppm (sebelum Deoksidasi)
  • Setelah penambahan Al atau SiMn: 10–30 ppm (oksigen aktif)
  • Setelah perawatan kalsium: 5–15 ppm + modifikasi inklusi stabil
  • Tundish (pengecoran kontinu): Oksigen total (Otot) biasanya 15–30 ppm, tergantung pada tingkatannya.

Strategi untuk Praktik Deoksidasi Optimal

Mencapai kebersihan baja yang konsisten membutuhkan pendekatan sistematis. Kerangka kerja berikut berlaku untuk sebagian besar jenis baja karbon dan baja Paduan rendah:

  1. Rekayasa terak: Pertahankan terak dasar (CaO/SiO₂ > 2,5) untuk menyerap Produk Deoksidasi. Mengurangi FeO terak di bawah 1% meminimalkan reversi oksigen.
  2. Pengadukan argon kuat: Pengaliran gelembung argon secara perlahan selama minimal 5–10 menit setelah Deoksidasi akan mendorong flotasi inklusi.
  3. Penambahan berurutan: Untuk jenis material yang membutuhkan kadar oksigen sangat rendah, pertimbangkan pra-Deoksidasi dengan Si-Mn diikuti dengan penyelesaian Al, kemudian modifikasi Ca.
  4. Penutup sendok sayur: Mencegah reoksidasi dari terak sendok tuang atau masuknya udara selama proses penyadapan dan pengecoran.

Contoh Kasus: Transformasi Kualitas Baja Bantalan

Produsen baja khusus yang memproduksi baja bantalan SAE 52100 menghadapi tingkat penolakan yang tinggi karena inklusi tipe alumina yang terdeteksi dalam pengujian ultrasonik. Dengan menerapkan protokol Deoksidasi dua langkah (Deoksidasi awal Si-Mn → penyelesaian Al → perawatan kawat inti paduan kalsium silikon) dan mengoptimalkan waktu pengadukan sendok tuang menjadi 12 menit, produsen mengurangi total oksigen dari 18 ppm menjadi 8 ppm. Peringkat inklusi meningkat sebesar 60%, dan umur kelelahan bantalan (L10) meningkat lebih dari dua kali lipat. Kasus ini menggarisbawahi bahwa pengendalian oksigen bukanlah tindakan tunggal tetapi strategi proses terintegrasi.

Seiring dengan meningkatnya tuntutan kinerja aplikasi baja—mulai dari sistem penggerak kendaraan listrik hingga fondasi pembangkit listrik tenaga angin lepas pantai—penguasaan kontrol oksigen menjadi pembeda kompetitif. Dengan memahami hubungan antara oksigen terlarut, pembentukan inklusi, dan kimia Deoksidasi, produsen baja dapat secara konsisten menghasilkan baja yang lebih bersih, lebih kuat, dan lebih andal. Bright Alloys menawarkan portofolio lengkap paduan Deoksidasi, termasuk ferrosilikon, silikon-mangan, dan kawat inti paduan kalsium silikon, yang didukung oleh keahlian metalurgi untuk membantu mengoptimalkan praktik Anda.