Oksigen sangat penting sekaligus merugikan dalam pembuatan baja. Meskipun peniupan oksigen merupakan hal mendasar dalam pemurnian basic oxygen furnace (BOF) dan electric arc furnace (EAF) untuk menghilangkan karbon, fosfor, dan silikon, oksigen terlarut yang tersisa setelah tapping harus dikontrol secara ketat. Oksigen yang tidak terkendali menyebabkan porositas gas, kerapuhan, dan yang paling kritis, pembentukan inklusi non-logam yang mengompromikan sifat mekanis, umur fatik, dan kualitas permukaan.

Pembuatan baja modern membutuhkan 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 grade baja.

Tantangan Oksigen: Dari BOF ke Tundish

Di 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) menuntut oksigen total kurang dari 10 ppm. Langkah deoksidasi — menambahkan elemen 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 menciptakan sekitar 3–5 ppm inklusi oksida. Tujuannya bukan hanya untuk menghilangkan oksigen, tetapi untuk membuat inklusi yang dihasilkan tidak berbahaya.”

Reaksi deoksidasi fundamental dapat direpresentasikan sebagai: x[M] + y[O] → MₓOy (s or l). Pilihan deoksidator 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 paling kuat dan hemat biaya, mampu mengurangi oksigen terlarut hingga 2–5 ppm dalam kondisi kesetimbangan. Reaksinya adalah: 2Al + 3[O] → Al₂O₃(s). Namun, inklusi alumina (Al₂O₃) yang dihasilkan bersifat padat, keras, dan sering membentuk gugus yang sulit dihilangkan sepenuhnya. Inklusi ini merugikan umur fatik, kemampuan mesin, dan hasil akhir permukaan. Dalam pengecoran kontinu, penumpukan alumina di submerged entry nozzle (SEN) merupakan tantangan operasional yang terus-menerus.

Mikrograf menunjukkan gugus inklusi alumina pada baja killed aluminium - Bright Alloys
Gambar 1: Gugus inklusi alumina (stringer gelap) pada baja yang dideoksidasi aluminium — sumber cacat umum.

Praktik terbaik untuk deoksidasi Al: Untuk baja fully killed yang membutuhkan oksigen total sangat rendah, gunakan 0,5–1,2 kg Al per ton baja. Ikuti 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 Lebih Bersih

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

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

Perlakuan Kalsium: Memodifikasi Inklusi untuk Kinerja Unggul

Kalsium jarang digunakan sebagai deoksidator utama karena biayanya yang tinggi dan perolehan yang rendah, tetapi ia adalah pengubah inklusi yang tak tertandingi. Ketika ditambahkan ke baja yang dideoksidasi aluminium (biasanya melalui kawat inti CaSi), kalsium bereaksi dengan inklusi alumina padat untuk membentuk kalsium aluminat dengan titik leleh rendah (misalnya, 12CaO·7Al₂O₃, titik leleh ~1455°C). Inklusi globular ini tidak terlalu berbahaya bagi sifat mekanis dan secara signifikan mengurangi penyumbatan nosel selama pengecoran kontinu.

“Perlakuan kalsium mengubah kelemahan utama deoksidasi aluminium — gugus alumina — menjadi fase inklusi globular yang dapat dikelola.”

Panduan penambahan kalsium: Untuk modifikasi optimal, targetkan rasio Ca/Al 0,10–0,15. Kalsium yang berlebihan menyebabkan pembentukan CaS, yang dapat memadat kembali dan menyebabkan masalah pengecoran lainnya. Presisi sangat penting; praktik modern menggunakan injeksi kawat inti CaSi dengan umpan balik waktu nyata.

Inklusi kalsium aluminat globular setelah perawatan kalsium - Bright Alloys
Gambar 2: Inklusi kalsium aluminat globular — morfologi yang diinginkan setelah perlakuan kalsium yang tepat.

Mengukur dan Memantau Aktivitas Oksigen

Pembuatan baja modern bergantung pada sensor oksigen elektrokimia (berbasis ZrO₂) untuk mengukur aktivitas oksigen terlarut secara langsung di ladle. Pengukuran ini memandu penambahan deoksidan, mengurangi perlakuan berlebih dan kurang. Target oksigen utama berdasarkan tahap proses:

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

Strategi Praktik Deoksidasi Optimal

Mencapai kebersihan baja yang konsisten memerlukan pendekatan sistematis. Kerangka kerja berikut berlaku untuk sebagian besar grade baja karbon dan baja paduan rendah:

  1. Rekayasa slag: Pertahankan slag basa (CaO/SiO₂ > 2,5) untuk menyerap produk deoksidasi. Mengurangi FeO slag di bawah 1% meminimalkan oksigen reversion.
  2. Pengadukan argon kuat: Setidaknya 5–10 menit pengadukan argon lembut setelah deoksidasi mendorong flotasi inklusi.
  3. Penambahan berurutan: Untuk grade yang membutuhkan oksigen sangat rendah, pertimbangkan pra-deoksidasi dengan Si-Mn diikuti oleh finishing Al, kemudian modifikasi Ca.
  4. Penutup ladle: Cegah reoksidasi dari slag ladle atau udara yang terperangkap selama tapping dan pengecoran.

Contoh Kasus: Transformasi Kualitas Baja Bantalan

Sebuah produsen baja khusus yang memproduksi baja bantalan SAE 52100 menghadapi tingkat penolakan tinggi karena inklusi tipe alumina yang terdeteksi dalam pengujian ultrasonik. Dengan menerapkan protokol deoksidasi dua langkah (pra-deoksidasi Si-Mn → finishing Al → perawatan kawat inti CaSi) dan mengoptimalkan waktu pengadukan ladle 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 menekankan bahwa kontrol oksigen bukanlah tindakan tunggal tetapi strategi proses terintegrasi.

Seiring aplikasi baja yang menuntut kinerja yang lebih tinggi — dari drivetrain kendaraan listrik hingga fondasi angin lepas pantai — penguasaan kontrol oksigen menjadi pembeda kompetitif. Dengan memahami hubungan antara oksigen terlarut, pembentukan inklusi, dan kimia deoksidasi, pembuat baja dapat secara konsisten memproduksi baja yang lebih bersih, lebih kuat, dan lebih andal. Bright Alloys menawarkan portofolio lengkap paduan deoksidasi, termasuk ferrosilikon, silikon-mangan, dan kawat inti CaSi, didukung oleh keahlian metalurgi untuk membantu mengoptimalkan praktik Anda.