Deoksidasi dalam Pembuatan Baja: Proses Penting untuk Kemurnian & Kualitas

Definisi dan Konsep Dasar

Deoksidasi adalah proses metalurgi yang kritis dalam pembuatan baja yang bertujuan untuk menghilangkan oksigen dari baja cair. Tujuan utamanya adalah untuk mengontrol komposisi kimia baja, meningkatkan kebersihannya, dan meningkatkan sifat mekaniknya. Dengan mengurangi tingkat oksigen terlarut, deoksidasi mencegah pembentukan inklusi oksida, yang dapat mengompromikan kekuatan, ketangguhan, dan kualitas permukaan baja.

Dalam keseluruhan rantai produksi baja, deoksidasi terjadi setelah baja dilebur dan dialoy, biasanya selama tahap pemurnian sekunder atau langsung di dalam ladle atau tundish. Ini adalah langkah penting sebelum pengecoran, memastikan mikrostruktur dan sifat baja memenuhi standar yang ditentukan. Deoksidasi yang tepat mempengaruhi proses selanjutnya seperti pengecoran, penggulungan, dan perlakuan panas, menjadikannya sangat penting untuk memproduksi baja berkualitas tinggi.

Desain dan Operasi Teknis

Teknologi Inti

Deoksidasi bergantung pada reduksi kimia oksigen dalam baja cair melalui penambahan agen deoksidasi. Agen ini bereaksi dengan oksigen terlarut untuk membentuk oksida stabil, yang baik mengapung ke permukaan sebagai terak atau terintegrasi ke dalam matriks baja dengan cara yang terkontrol.

Prinsip rekayasa dasar melibatkan keberpihakan termodinamik dan kontrol kinetik. Proses harus dirancang untuk mendorong reaksi yang cepat dan lengkap antara deoksidator dan oksigen, meminimalkan kandungan oksigen residu. Komponen teknologi utama termasuk sistem injeksi deoksidator, desain ladle atau wadah, dan sistem manajemen terak.

Komponen kunci mencakup:

• Perangkat injeksi deoksidator: Seperti sistem lance, tuyeres, atau pengumpan bubuk, yang memperkenalkan agen deoksidasi ke dalam baja cair.
• Peralatan metalurgi ladle: Termasuk mekanisme pengaduk, sistem kontrol suhu, dan skim terak.
• Sistem pembentukan dan penyaringan terak: Untuk memfasilitasi penghilangan inklusi oksida dan terak.

Mekanisme operasional melibatkan waktu yang tepat dan penambahan deoksidator yang terkontrol, sering kali dikombinasikan dengan pengadukan atau agitasi untuk meningkatkan kinetika reaksi. Aliran material mencakup baja cair, deoksidator, dan terak, dengan proses yang dipantau dengan cermat untuk mengoptimalkan efisiensi penghilangan oksigen.

Parameter Proses

Variabel proses kritis meliputi:

Kontrol optimal dari parameter ini memastikan kandungan oksigen residu minimal, kandungan inklusi rendah, dan mikrostruktur yang diinginkan. Sistem kontrol canggih mengintegrasikan sensor dan model proses untuk menjaga parameter dalam rentang yang ditentukan, beradaptasi secara dinamis terhadap variasi proses.

Konfigurasi Peralatan

Instalasi deoksidasi yang tipikal terdiri dari:

• Ladle atau wadah: Biasanya terbuat dari baja yang dilapisi refraktori, dengan dimensi tergantung pada kapasitas produksi (misalnya, kapasitas 10–200 ton).
• Sistem injeksi deoksidator: Pengaturan lance atau tuyere yang diposisikan untuk memastikan distribusi yang merata.
• Perangkat pengaduk: Seperti pengaduk elektromagnetik atau mekanis, untuk mempromosikan homogenitas.
• Sistem penanganan terak: Untuk menyaring dan menghilangkan inklusi oksida.

Variasi desain telah berkembang dari penambahan manual yang sederhana menjadi sistem otomatis yang canggih dengan kontrol yang tepat dan pemantauan waktu nyata. Sistem tambahan termasuk pembersihan argon atau nitrogen untuk membantu dalam pembentukan terak dan penghilangan oksigen, serta unit pengaturan suhu.

Kimia dan Metalurgi Proses

Reaksi Kimia

Reaksi kimia inti melibatkan reduksi oksigen oleh deoksidator, terutama silikon, aluminium, mangan, atau titanium. Misalnya:

• Deoksidasi silikon:
  Si (cair) + O (terlarut) → SiO₂ (terak)

• Deoksidasi aluminium:
  2Al (cair) + 3O (terlarut) → Al₂O₃ (terak)

• Deoksidasi mangan:
  Mn (cair) + O (terlarut) → MnO (terak)

Reaksi ini diatur oleh prinsip termodinamik, dengan pertimbangan energi bebas Gibbs yang menentukan spontanitas reaksi pada suhu tinggi. Kinetika tergantung pada faktor-faktor seperti suhu, agitasi, dan bentuk deoksidator (logam, bubuk, atau ferroalloy).

Produk reaksi terutama adalah oksida stabil yang terpisah ke dalam fase terak, mengurangi kandungan oksigen dalam baja. Produk sampingan seperti busa terak dan inklusi dikelola untuk mencegah kontaminasi.

Transformasi Metalurgi

Selama deoksidasi, perubahan mikrostruktur terjadi saat oksigen dihilangkan, mempengaruhi transformasi fase dan pembentukan inklusi. Perkembangan kunci meliputi:

• Pembentukan inklusi oksida, yang dapat berbentuk globular atau memanjang tergantung pada kondisi proses.
• Penyempurnaan mikrostruktur baja, mempromosikan matriks yang lebih bersih dan lebih homogen.
• Pengurangan oksigen terlarut menstabilkan fase austenit dan mencegah pembentukan porositas atau blowholes yang berbahaya selama pengecoran.

Transformasi ini meningkatkan sifat mekanik seperti ketangguhan, kelenturan, dan ketahanan terhadap kelelahan. Kontrol yang tepat memastikan bahwa inklusi halus, terdispersi dengan baik, dan tidak berbahaya.

Interaksi Material

Interaksi antara baja cair, terak, refraktori, dan atmosfer sangat penting:

• Interaksi baja-terak: Inklusi oksida berasal dari deoksidasi yang tidak lengkap atau terjebaknya terak.
• Keausan refraktori: Reaksi suhu tinggi dapat mengikis lapisan refraktori, melepaskan partikel ke dalam baja.
• Efek atmosfer: Masuknya oksigen selama penanganan dapat mengoksidasi kembali baja jika tidak disegel dengan benar.

Mekanisme kontrol meliputi menjaga penutup terak yang melindungi, mengoptimalkan komposisi terak untuk mempromosikan pengapungan inklusi, dan memilih material refraktori yang tahan terhadap korosi suhu tinggi.

Alur Proses dan Integrasi

Material Input

Input meliputi:

• Baja cair: Biasanya pada suhu 1,600–1,650°C, dengan tingkat oksigen awal bervariasi berdasarkan proses sebelumnya.
• Deoksidator: Seperti ferrosilicon, aluminium, atau paduan