Kalsium (Ca): Peran Utama dalam Desulfurisasi Baja & Pengendalian Inklusi

Definisi dan Sifat Dasar

Kalsium (Ca) adalah unsur kimia dengan nomor atom 20, diklasifikasikan sebagai logam alkali tanah dalam Grup 2 tabel periodik. Ini adalah logam lunak berwarna putih perak yang sangat reaktif, terutama di lingkungan lembab, dan dengan mudah membentuk senyawa dengan oksigen, belerang, dan non-logam lainnya. Dalam bentuk murninya, kalsium menunjukkan struktur kristalin yang dikenal sebagai kubus berpusat wajah (FCC) pada suhu tinggi, bertransisi ke struktur heksagonal rapat (HCP) pada suhu kamar.

Secara fisik, kalsium muncul sebagai logam berwarna putih perak yang mengkilap dan cepat ternoda ketika terpapar udara karena oksidasi. Kerapatannya sekitar 1,55 g/cm³, menjadikannya relatif ringan di antara logam. Titik lebur kalsium sekitar 842°C (1548°F), dan titik didihnya sekitar 1484°C (2703°F). Sifat-sifat ini mempengaruhi penanganan dan pemrosesannya dalam pembuatan baja, di mana stabilitas suhu tinggi dan reaktivitas adalah pertimbangan kritis.

Peran dalam Metalurgi Baja

Fungsi Utama

Kalsium memainkan peran penting dalam metalurgi baja terutama sebagai agen desulfurisasi dan deoksidasi. Ini secara efektif mengurangi kandungan belerang dengan membentuk kalsium sulfida (CaS), yang kurang berbahaya dan dapat dihilangkan lebih mudah selama perlakuan terak. Kalsium juga bertindak sebagai agen modifikasi untuk inklusi, mengubah inklusi oksida dan sulfida yang kompleks dan memanjang menjadi senyawa bulat yang kaya kalsium yang meningkatkan ketangguhan dan kemampuan mesin baja.

Dalam pengembangan mikrostruktur, kalsium mempengaruhi pembentukan dan stabilitas inklusi non-logam, yang berfungsi sebagai situs nukleasi selama pembekuan. Penambahannya dapat memperhalus ukuran butir dan mempromosikan mikrostruktur yang seragam, yang mengarah pada peningkatan sifat mekanik. Kemampuan kalsium untuk memodifikasi inklusi juga mempengaruhi respons baja terhadap perlakuan panas, berdampak pada kekerasan, duktilitas, dan ketangguhan.

Konteks Sejarah

Penggunaan kalsium dalam pembuatan baja dimulai pada pertengahan abad ke-20, awalnya sebagai rasa ingin tahu laboratorium. Aplikasi praktisnya mendapatkan momentum pada tahun 1960-an dan 1970-an dengan pengembangan teknik perlakuan kalsium yang bertujuan untuk meningkatkan kebersihan dan ketangguhan baja. Pemahaman tentang efek kalsium pada modifikasi inklusi dan desulfurisasi berkembang pesat selama periode ini, yang mengarah pada adopsi yang luas.

Kelas baja penting seperti baja paduan rendah kekuatan tinggi (HSLA) dan baja struktural canggih mengadopsi perlakuan kalsium untuk memenuhi kriteria kinerja yang ketat. Pengembangan fluks berbasis kalsium-silikat dan kalsium-aluminat lebih lanjut memfasilitasi integrasinya ke dalam praktik pembuatan baja modern. Saat ini, kalsium diakui sebagai elemen paduan kunci dalam baja khusus, terutama yang memerlukan ketangguhan dan kebersihan tinggi.

Keberadaan dalam Baja

Kalsium biasanya hadir dalam baja pada konsentrasi berkisar antara 0,001% hingga 0,02% berdasarkan berat, tergantung pada kelas baja dan sifat yang diinginkan. Ini ditambahkan secara sengaja selama metalurgi sekunder, sering kali dalam bentuk kalsium silikat atau kalsium karbida, untuk memodifikasi inklusi dan meningkatkan kualitas baja.

Dalam baja, kalsium ada terutama sebagai inklusi oksida atau sulfida yang kaya kalsium, sering kali dalam bentuk senyawa kalsium-aluminat atau kalsium-silikat bulat. Inklusi ini dibentuk secara sengaja untuk meningkatkan sifat baja, meskipun kalsium juga dapat dianggap sebagai kotoran jika tidak terkontrol, yang dapat menyebabkan efek yang tidak diinginkan seperti pembentukan inklusi yang berlebihan atau terjebaknya terak.

Efek dan Mekanisme Metalurgi

Pengaruh Mikrostruktur

Kalsium mempengaruhi pengembangan mikrostruktur dengan memodifikasi morfologi dan komposisi inklusi non-logam. Ini bereaksi dengan oksigen dan belerang dalam baja untuk membentuk kalsium oksida (CaO), kalsium sulfida (CaS), dan kalsium aluminat, yang cenderung bulat dan kurang berbahaya dibandingkan inklusi yang memanjang.

Modifikasi ini mempromosikan pemurnian butir selama pembekuan dan perlakuan panas, karena inklusi kaya kalsium berfungsi sebagai situs nukleasi yang efektif untuk ferit akicular dan mikrostruktur yang diinginkan lainnya. Kalsium juga mempengaruhi suhu transformasi, seperti titik Ac₃ dan Ms, dengan mengubah kimia lokal di sekitar inklusi dan mempengaruhi kinetika transformasi fase.

Interaksi dengan elemen paduan lainnya, seperti aluminium, belerang, dan oksigen, sangat penting. Kalsium secara preferensial bereaksi dengan belerang dan oksigen, mengurangi aktivitas mereka dan menstabilkan fase inklusi. Sinergi ini menghasilkan baja yang lebih bersih dengan ketangguhan dan duktilitas yang lebih baik.

Pengaruh pada Sifat Kunci

Sifat mekanik sangat dipengaruhi oleh penambahan kalsium. Pembentukan inklusi bulat yang dimodifikasi kalsium mengurangi titik konsentrasi stres, sehingga meningkatkan ketangguhan dan duktilitas. Ini juga meningkatkan kemampuan mesin dengan memecah inklusi kompleks yang menyebabkan keausan alat.

Secara fisik, kalsium mempengaruhi konduktivitas termal dan listrik secara minimal tetapi dapat mempengaruhi sifat magnetik sedikit karena perubahan distribusi inklusi. Secara kimiawi, kalsium meningkatkan ketahanan korosi dengan mengurangi keberadaan inklusi sulfida berbahaya yang dapat bertindak sebagai situs inisiasi untuk korosi.

Mekanisme Penguatan

Kalsium berkontribusi pada penguatan terutama melalui modifikasi inklusi, yang meningkatkan duktilitas dan ketangguhan, secara tidak langsung mendukung kekuatan. Ini juga mempromosikan pemurnian butir, yang mengarah pada kekuatan hasil yang lebih tinggi melalui mekanisme Hall-Petch.

Hubungan kuantitatif menunjukkan bahwa tingkat kalsium yang optimal (sekitar 0,005% hingga 0,01%) memaksimalkan ketangguhan tanpa menyebabkan pembentukan inklusi yang berlebihan. Perubahan mikrostruktur, seperti butir yang lebih halus dan inklusi bulat, bertanggung jawab atas peningkatan sifat ini.

Metode Produksi dan Penambahan

Sumber Alami

Kalsium terutama diperoleh dari batu kapur (kalsium karbonat, CaCO₃), yang melimpah secara global. Ini diekstraksi melalui penambangan dan diproses melalui kalsinasi untuk menghasilkan kapur tohor (CaO). Pemurnian lebih lanjut menghasilkan logam kalsium atau senyawa yang cocok untuk pembuatan baja.

Ketersediaan global tinggi, dengan deposit besar di Amerika Utara, Eropa, dan Asia. Pentingnya strategis kalsium dalam produksi baja terkait dengan perannya dalam pengendalian inklusi dan desulfurisasi, menjadikannya aditif kritis dalam pembuatan baja modern.

Bentuk Penambahan

Dalam pembuatan baja, kalsium ditambahkan dalam berbagai bentuk, termasuk kalsium silikat (Ca₂SiO₄), kalsium karbida (CaC₂), dan logam kalsium. Kalsium silikat adalah yang paling umum, disuplai dalam bentuk bubuk atau granula, dan kompatibel dengan sistem injeksi ladle yang ada.

Persiapan melibatkan memastikan ukuran partikel dan reaktivitas yang tepat. Penanganan memerlukan peralatan pelindung karena reaktivitas kalsium, terutama dalam bentuk bubuk. Tingkat pemulihan tinggi ketika teknik penambahan yang tepat diterapkan, dengan hasil mendekati 95% dalam lingkungan yang terkontrol.

Waktu dan Metode Penambahan

Kalsium biasanya diperkenalkan selama pemurnian sekunder, setelah baja dituang ke dalam ladle. Waktu ini memastikan reaktivitas maksimum dengan belerang dan oksigen terlarut, memfasilitasi modifikasi inklusi yang efektif.

Metode injeksi termasuk injeksi ladle melalui lance atau injeksi bubuk melalui feeder khusus. Distribusi homogen dicapai melalui pengadukan atau pengadukan elektromagnetik, memastikan perlakuan yang seragam dan sifat yang konsisten.