Kimia Slag di Ladle: “Sapu” Tak Terlihat yang Menentukan Kelas Baja

Ladle metallurgy hidup dari “slag formers” (bahan pembentuk slag) yang ditambahkan untuk menangkap unsur seperti Si, P, S serta inklusi non‑logam (misalnya Al₂O₃) dari baja cair. Flux utama adalah lime (CaO)—dalam bentuk quicklime atau dolomite/CaO·MgO—yang bereaksi dengan oksida asam dan impuritas, lalu “mengikat” SiO₂, MnO, S, dan P ke fase slag lhoist.com. Penambahan magnesite atau dolime memasok MgO untuk menstabilkan kimia slag dan mempromosikan foaming yang melindungi lining ladle lhoist.com.

Fluorspar (CaF₂) secara tradisional ditambahkan sebesar 10–20% dari slag guna menurunkan titik lebur dan viskositas, sehingga meningkatkan fluiditas slag degruyter.com. Oksida alkali lain yang diteliti meliputi B₂O₃ dan Li₂O, yang—seperti CaF₂—mem‑flux slag: misalnya, mengganti CaF₂ dengan B₂O₃ secara nyata menurunkan liquidus (≈1561 K; K = Kelvin) sambil mempertahankan kemampuan desulfurisasi degruyter.com. Dalam praktiknya, komposisi slag ladle tipikal sekitar 40–50 wt% CaO, 20–30% Al₂O₃, 5–12% SiO₂, dan 4–7% MgO (wt% = persen berat), dengan tambahan CaF₂ atau sejenisnya untuk mencapai sifat leleh yang “ramah proses” patents.google.com.

Ragam slag former dan aditif reaktif

Selain oksida, aditif logam juga berperan sebagai komponen slag. Desulfurizer umum adalah injeksi kalsium atau magnesium—sebagai logam murni atau paduan—sering melalui argon‑lance. Praktiknya, pabrik menginjeksi kalsium metal (Ca) atau magnesium (Mg) berbentuk wire/serbuk serta senyawa kalsium (calcium carbide/CaC₂ atau calcium‑silicide/CaSi) untuk “mengusir” S dari baja menjadi CaS/MgS di slag onlinelibrary.wiley.com. Deoxidizer seperti aluminium atau silikon ditambahkan ke baja dan membentuk partikel Al₂O₃ atau SiO₂ yang kemudian mengapung ke slag onlinelibrary.wiley.com. Ferroalloy bantu (FeMn, FeSi, AlMn, rare‑earth) ikut memodifikasi kimia slag; misalnya alumina dari “Al‑killed” steel (baja yang dideoksidasi dengan Al) atau MnO yang ditambahkan akan menjadi bagian dari slag. Ringkasnya, flux ladle meliputi hard‑flux CaO/MgO, CaF₂ atau fluoride/halide lain, carbonate/bicarbonate binders, dan injeksi logam reaktif (Ca, Mg, CaC₂, CaSi)—semuanya dipilih untuk menyasar impuritas tertentu lhoist.com onlinelibrary.wiley.com.

Basicity, suhu, dan kapasitas serap impuritas

Efektivitas slag sebagai “scrubber” impuritas bergantung pada kimianya—utamanya basicity (rasio CaO terhadap SiO₂; sering disebut basicity biner Λ = CaO/SiO₂), suhu, dan aktivitas komponennya. Basicity sangat menentukan: menaikkan CaO relatif terhadap SiO₂ meningkatkan kapasitas slag melarutkan impuritas asam. Secara termokimia, sulfur distribution ratio L_S (rasio sebaran S pada kesetimbangan antara baja dan slag) mengikuti: \(\log L_{S} \approx 45.584\,\Lambda + \frac{10568.4 - 17184.0\,\Lambda}{T} - 8.529,\) dengan Λ = CaO/SiO₂ dan T dalam K mdpi.com. Persamaan ini menegaskan basicity yang lebih tinggi menaikkan L_S, sehingga desulfurisasi lebih dalam.

Contoh uji laboratorium di ladle menunjukkan menaikkan basicity biner dari ~1,7 ke ~1,9–2,0 menurunkan S dan O di baja secara ekstrem: pada Λ≥1,9, [S] dan [O] kesetimbangan di stainless 201 bisa diturunkan hingga ~8×10^−6 berdasarkan massa journals.sagepub.com. Studi yang sama menemukan kenaikan MgO hingga saturasi slag sedikit meningkatkan penghilangan S, sementara kandungan CaF₂ sekitar ~40 wt% makin menekan [S] journals.sagepub.com.

Penghilangan fosfor (P) menuntut aktivitas CaO tinggi; perancang slag sering meminimalkan FeO dan memaksimalkan “free CaO” agar P tertangkap sebagai kompleks CaO–P₂O₅ di slag yang sangat basic. Oksigen terlarut juga terkait kandungan Al₂O₃: alumina tinggi menurunkan L_S (lebih banyak Al₂O₃ justru menurunkan sulfide capacity) mdpi.com. Untuk Al‑killed steel, slag high‑basicity (CaO/SiO₂ ∼8, CaO/Al₂O₃ ≈1–2) dengan suplai Ca memadai akan mentransformasi inklusi padat Al₂O₃ atau spinel MgO–Al₂O₃ menjadi inklusi cair CaO–MgO–Al₂O₃ atau CaO–Al₂O₃, sehingga lebih mudah disingkirkan mdpi.com.

Peran CaF₂, pengganti, dan batasan operasional

CaF₂ adalah flux kuat yang menurunkan titik lebur dan menaikkan basicity, tetapi penggunaannya makin dibatasi karena emisi HF/SiF₄ dan sifatnya yang agresif terhadap refraktori degruyter.com. Penelitian menunjukkan penggantian parsial bisa mempertahankan performa: misalnya, mengganti CaF₂ (<4 wt%) dengan Al₂O₃ (>28 wt%) menghasilkan slag yang tetap menurunkan [S] baja hingga <0,0060% degruyter.com. B₂O₃ punya efek fluxing sangat kuat—slag dengan B₂O₃ dapat meleleh sekitar 1561 K (dibanding >1700 K tanpa) dan tetap menjaga sulfide capacity tinggi; Li₂O menunjukkan manfaat sejenis degruyter.com. Dalam praktik pabrik, basicity sekitar 1,8–2,0 sering memaksimalkan penghilangan S dan P sekaligus menjaga slag tetap cair—ini dikonfirmasi oleh uji lab dan trial di pabrik baja degruyter.com journals.sagepub.com.

Angka‑angka kinerja yang dicapai

Dalam sebuah studi laboratorium, slag CaO–Al₂O₃–SiO₂ (55% CaO, 30% Al₂O₃, CaF₂ rendah) mampu menurunkan [S] baja di bawah 60 ppm (ppm = parts per million) degruyter.com. Model termodinamika lain menemukan bahwa pada CaO/SiO₂ ∼2,0, MgO jenuh, dan CaF₂ sekitar 40%, [S] dan [O] mendekati batas kemurnian tertinggi (~8×10^−6 massa) journals.sagepub.com. Secara operasional, slag yang stabil dengan viskositas tepat mengurangi keausan refraktori dan konsumsi energi degruyter.com lhoist.com. Karena itu, komposisi slag dipantau (sering dengan on‑line probes atau analisis sampel) dan disesuaikan lewat penambahan flux untuk mencapai target pemurnian.

Metode penghilangan slag dari ladle

Setelah pemurnian, slag yang kaya oksida, sulfida, dan inklusi harus diangkat agar baja tidak terkontaminasi ulang. Metode utama ialah mechanical skimming: ladle dimiringkan/diputar sehingga slag cair naik ke permukaan, lalu operator atau mesin mengeruknya dengan skimmer atau ladle shovel ke “slag pot” eksternal ametek-land.com researchgate.net. Peralatan khusus dapat berupa robotic rakes atau vacuum conveyors. Sering pula dilakukan pengadukan gas inert (argon) untuk membuat slag berbusa (meningkatkan volume dan buoyancy) sesaat sebelum tapping; slag berbusa ini lalu dirake researchgate.net. Di beberapa pabrik, ada langkah skimming kedua tepat sebelum penuangan baja sehingga >95% slag tersisa dieliminasi. Sistem monitoring (termasuk vision system) membantu memastikan logam bebas slag ametek-land.com.

Pendekatan alternatif melengkapi skimming untuk memastikan pembersihan tuntas. Pada tahap vacuum degassing (VD/VDT; proses pengosongan gas di bawah vakum), ladle dibuka ke ruang vakum: sebagian slag berbusa tersedot bersama gas dan ditampung dalam “slag cup”. Vakum ini sekaligus membantu degassing logam researchgate.net. Bahkan tanpa vakum, top‑stirring argon yang kuat dapat mendorong slag ke catch basin. Kedisiplinan mengangkat slag sangat kritikal: residu slag dapat melepas S terperangkap atau mengoksidasi ulang baja, menurunkan kemurnian dan kualitas ametek-land.com researchgate.net.

Penanganan slag dan catatan regulasi

Secara praktis, slag yang diangkat dikirim ke area penanganan. Di Indonesia (dan global), slag baja sering dipecah (chipped), digranulasi, atau diquench untuk pemanfaatan ulang. Namun, dalam regulasi Indonesia saat ini slag baja diklasifikasikan sebagai limbah B3 (bahan berbahaya dan beracun), yang mempersulit reuse meskipun ada standar yang mendukung pemanfaatannya di semen dan konstruksi iisia.or.id iisia.or.id iisia.or.id. Skimming yang teliti juga menghindari kehilangan besi (metal entrained in slag): menurut sumber industri, penghilangan slag yang saksama meningkatkan yield “clean‑steel” dan mengurangi proses hilir ametek-land.com.

Sumber

Technical literature on secondary steelmaking and ladle refining; recent peer-reviewed studies on slag chemistry and refining (e.g. Metall. Res. Int. 2023, High Temp Mater. & Proc. 2023, Ironmaking & Steelmaking 2024) degruyter.com mdpi.com journals.sagepub.com; industry reviews and manufacturer data (Lhoist steelflux brochure) lhoist.com lhoist.com; Indonesian steel industry publications regarding slag utilization and regulation iisia.or.id iisia.or.id. All cited values and observations are drawn from these sources.