Kesan Fosforus terhadap keluli dan besi tuang serta proses penyingkirannya

Disiar dalam Dewan Kosmik Februari 2011

Kesan Fosforus terhadap keluli dan besi tuang serta proses penyingkirannya

Muhammad Nuruddin Bashah

Bc Hons Eng UM

Fosforus adalah salah satu unsur yang terdapat dalam setiap spesifikasi keluli dan besi tuang. Namun begitu, ia bukanlah unsur yang diperlukan secara langsung malah setap dekad akan muncul pelbagai teknik dan kaedah diperkenalkan untuk menyingkir unsur ini semasa perleburan keluli dan pengekstrakan pelbagai bijih. Fosforus hanya diperlukan untuk penyediaan keluli untuk tujuan permesinan.

Dalam tulisan ini, kita akan membincangkan kesan fosforus terhadap keluli aloi rendah, keluli mangan austenit dan besi tuang kelabu. Teknik perleburan yang berkaitan adalah teknik perleburan relau arka elektrik.

Fosforus adalah unsur kimia dalam jadual berkala yang mempunyai simbol P dan memiliki nombor atom 15. Ia bersifat multivalen, yang wujud dalam bentuk fosfat organik dan bukan organik. Fosforus bukan unsur logam dan tergolong dalam kumpulan nitrogen. Fosforus wujud dalam empat atau lebih bentuk alotropik iaitu putih (atau kuning), merah, dan hitam (atau ungu).

Selalunya fosforus wujud dalam bentuk merah dan putih, yang keduanya adalah kumpulan tetrahedral daripada empat atom.

Secara umumnya piawaian Amerika seperti American Iron and Steel Institute (AISI) meletakkan syarat untuk kandungan fosforus tidak melebihi 0.040%. Akan tetapi kebanyakan kilang fondari di Malaysia menetapkan kandungan lebih rendah iaitu tidak melebihi 0.025% fosforus untuk spesifikasi keluli aloi rendah. Agak sukar untuk mendapat tahap rendah sebegini kerana baha suapan aloi seperti feromangan dan bijih besi mengandungi unsur fosforus yang tinggi sehingga 0.5%. Gred bahan suapan aloi fero mangan yang berkandungan fosforus sehingga 0.1% adalah pilihan yang terbaik tetapi agak mahal.

Mahu atau tidak, kandungan fosforus tetap akan wujud di dalam setiap keluli di muka bumi ini kerana terdapat banyak bahan mentah yang digunakan untuk melebur besi dan keluli mengandungi kandungan fosforus dalamnya.

Teknik pendidihan oksigen menyahfosforus

Jika anda melebur keluli menggunakan relau arka elektrik, semasa proses pendidihan oksigen, unsur sulfur akan tersingkir lebih awal berbanding unsur fosforus. Hal ini kerana Sulfur mudah sahaja dihapuskan menggunakan batu kapur kalsium karbonat. Kalsium akan menjadi kalsium sulfida dan akan disingkir sebagai sanga. Semasa pendidihan menggunakan suntikan oksigen, batu kapur (kalsium karbonat) akan menjadi kalsium oksida yang bakal bereaksi dengan Ferum Sulfida seterusnya membentuk kalsium sulfida. (rujuk tindakbalas no 4 di bawah)

Manakala fosforus ia bertindakbalas semasa proses pendidihan menggunakan oksigen menjadi fosforus pentoksida yang kemudiannya dinyah menjadi sanga. Di bawah adalah tindakbalas umum.

2[P] + 5/2{O2} = (P₂O₅) = fosforus pentoksida (1)

Fosforus pentoksida ini memiliki takat lebur serendah 569 °C. Tidak hairan jika dalam perleburan keluli bersuhu 1500 C, ia tidak stabil dan mudah melepaskan kembali unsur fosforus ke dalam leburan besi dan keluli.

Jika selepas pendidihan oksigen, leburan keluli ditambah dengan batu kapur, tindakbalas ini boleh berlaku untuk penyingkiran fosforus;

P₂O₅ + 3CaO = Ca₃(PO₄)₂ = kalsium ortofosfat. (2)

Sanga yang memiliki kandungan fosforus oksida dan kalsium ortofosfat ini perlu terus dibuang (slag-off) untuk mengelakkan kembalinya unsur fosforus ke dalam leburan. Hal ini kerana semakin lama suhu leburan semakin meningkat dan fosforus pasti kembali ke leburan dan meningkatkan kembali kandungan fosforus di dalam keluli lebur.

Teknik biasa untuk mengurangkan kandungan fosforus di dalam leburan ialah suhu relau akan diturunkan kerana proses penyingkiran fosforus perlu dilakukan dalam suhu lebih rendah berbanding proses penyingkiran sulfur memerlukan suhu lebih tinggi. Kandungan besi oksida dalam leburan dan slag perlu tinggi sehingga 0.25% FeO kerana besi oksida ini akan bertindak balas dengan Fosforus membentuk fosforus pentoksida.

2P + 5FeO = P₂O₅ + 5Fe (3)

Manakala bagi proses penyingkiran sulfur, kita tidak perlukan banyak kandungan besi oksida (FeO)dalam leburan kerana FeO tidak membantu menyingkir sulfur. Selalunya selepas pendidihan oksigen, ferosilikon akan ditambah ke dalam leburan untuk mengelak pembentukan berlebihan besi oksida (FeO). Sulfur disingkirkan melalui tindak balas di bawah;

FeS + CaO = CaS + FeO (4)

Suhu yang tinggi diperlukan semasa penyingkiran sulfur kerana dalam suhu agak tinggi, besi sulfida (FeS) akan bertindak balas dengan kalsium oksida( dari bahan fluks) membentuk kalsium Sulfida (sanga).

Delain itu dalam usaha menyingkir unsur sulfur dan fosforus, sanga yang memerangkap fosforus pentoksida tadi perlu segera dibuang selepas proses pendidihan oksigen. Sanga yang mengandungi fosforus tidak perlu wujud semasa proses penyingkiran sulfur dilakukan pada suhu lebih tinggi kerana fosforus akan mudah melerai (pada suhu tinggi) dan kembali ke leburan seperti yang dijelaskan di atas.

Kaedah lain adalah dengan meningkatkan kuantiti (charge) bahan suapan untuk melarut peratusan fosforus. Bijih besi akan ditambah untuk menambahkan unsur Ferum di dalam leburan atau penambahan skrap keluli lembut. Penambahan kandungan leburan (charge) akan mengurangkan peratusan fosforus namun ia masih bukan jalan penyelesaian yang dipilih oleh jurutera metalurgi.

Kalsium karbida adalah antara bahan yang akan ditambah ke dalam leburan keluli untuk menarik keluar fosforus ke lapisan sanga seterusnya dinyahkan.

Secara teorinya, kesemua keluarga kalsium dan aloinya mampu bertindak sebagai agen penyingkir fosforus. Akan tetapi kalsium lebih mudah tertarik bertindak balas dengan karbon berbanding terhadap fosforus.

Penggunaan kalsium karbida seperti yang dinyatakan di atas adalah hasil patent Jepun No. 57-161039. Namun begitu, jika leburan keluli anda tinggi kandungan karbonnya, ia kurang berkesan. Manakala jika leburan kurang kandungan karbonnya, kalsium karbida akan menyumbang kepada peningkatan peratusan karbon dalam leburan keluli.

Terdapat juga penemuan metalurgis berkenaan penggunaan magnesium sebagai bahan penyingkir fosforus mengantikan kalsium dan sebatiannya. Magnesium adalah unsur kumpulan 2 yang sama dengan kalsium malah lebih reaktif. Magnesium yang dicampur ke dalam mandian leburan keluli akan bergabung dengan bahan sisa tidak tulen seperti fosforus, sulfur, arsenik, timah dan nitrogen. Dalam masa yang sama, magnesium tidak menjejaskan (tidak bertindak balas aktif) dengan elemen yang diperlukan untuk spesifikasi keluli seperti karbon, silikon, mangan dan ferum.

Magnesium akan bertindakbalas dengan fosforus membentuk magnesium fosfida yang berketumpatan rendah berbanding leburan keluli. Hasilnya ia akan terapung di permukaan dan bergabung dengan lapisan sanga.

Bahan magnesium yang sesuai untuk dimasukkan ke dalam leburan keluli magnesium silisida (Mg₂ Si).

Kemudian, sebarang kaedah konvensional untuk mengeluarkan slag boleh dilakukan misalnya menggunakan fluks tertentu seperti magnesium florida, kalsium florida (flourspar), batu kapur (kalsium karbonat), sanga mangan, bijih magnesium (dolomite) atau magnesium oksida. Fluks dimasukkan ke dalam leburan dan relau disendengkan untuk mengeluarkan sanga.

Bagaimana kesan fosforus merapuhkan keluli?

Fosforus larut di dalam keluli ferit dan mampu menambahkan kekuatan keluli. Kandungan fosforus yang bertambah akan mengurangkan ciri kemuluran dan keteguhan impak keluli kerana keluli akan menjadi rapuh dan keras. Fosforus akan memberi ciri cold-shortness kepada keluli yang menyebabkan kekuatan keluli akan kurang dan meretak semasa keluli mengalami kerja sejuk (cold work),

Ia berbeza dengan sulfur kerana kandungan sulfur yang tinggi akan menimbulkan masalah hot shortness iaitu rapuh semasa keluli mengalami kerja panas seperti forging atau rolling pada suhu tinggi. Dengan kehadiran Sulfur, unsur besi (Fe) akan bergabung dan membentuk FeS (besi sulfida) yang termendak pada sempadan butir struktur mikro. Sebatian besi sulfida ini bertitik lebur rendah berbanding titik lebur keluli. Oleh itu semasa mengalami kerja panas, besi sulfida yang termendak itu akan melebur lebih awal berbanding keluli dan akan mengakibatkan keretakan dan kegagalan keluli tersebut. Dalam kes ini, Mangan akan ditambah untuk membentuk sebatian mangan sulfida (MnS) yang tidak akan mengakibatkan masalah hot shortness.

Fosforus cenderung untuk berkumpul di sempadan butir (grain boundaries) dan menyebabkan kerapuhan tempa (temper embrittlement). Masalah ini boleh dilihat apabila keluli yang berkandungan fosforus tinggi akan retak semasa proses tempa (tempering) dan lindap kejut. Hal ini amat ketara berlaku pada keluli Mangan (austenit), keluli kromium, keluli mangan Silikon, keluli Kromium Nikel dan keluli Kromium Mangan.

Keretakan pada keluli dengan kehadiran fosforus yang termendak pada sempadan butir

Bagaimana fosforus bertindak menjadikan keluli terlalu rapuh? Ia bertindak melambatkan proses perleraian struktur martensit dalam keluli yang telah dilindap kejut (quenching). Dengan kehadiran fosforus yang tinggi jika kita melakukan proses tempa (tempering), keluli tidak akan menjadi lembut. Tegasan dan tekanan dalaman yang meningkat semasa wujudnya struktur martensit tidak akan dibebaskan akibat fosforus. Sepatutnya semasa proses penempaan, struktur martensit akan berubah sedikit menjadi struktur martensit tempa, trostit atau sorbit yang kurang kekerasannya. Hal ini sama jika kandungan Silikon tinggi dalam keluli.

Fosforus akan menjadi bahan wajib dan perlu ditambah jika melebur keluli untuk permesinan (free cutting/machine steel) kerana ia menaikkan ciri kebolehmesinan.

Dalam keluli aloi rendah yang hanya mengandungi 0.1% karbon, fosforus boleh menyumbang kepada ketahanan kakisan atmosfera. Dalam keluli Cr-Ni austenit pula penambahan fosforus boleh menyebabkan kesan mendakan (precipitation effect) dan meningkatkan titik alah keluli.

Jika terdapat kehadiran agen pengoksidaan kuat seperti Silikon dan Kromium, fosforus boleh menyebabkan kakisan pada sempadan butir pada keluli tahan karat austenit kerana fosforus akan berkumpul pada sempadan butir dan menjadikan sempadan butir bersifat katod.

Fosforus tinggi mengurangkan kelebihan keluli mangan austenit.

Keluli mangan austenit (austenitic manganese steel) juga mengalami masalah peralihan ciri elastik kepada plastik akibat kandungan fosforus yang tinggi. Kini piawaian keluli Australia dan British meletakkan had fosforus sebanyak 0.050% untuk spesifikasi keluli mangan 13%.

Kandungan fosforus melebihi 0.050% pada keluli ini akan mengurangkan kebolehkerasan kerja (work hardenibility). Keluli austenit mangan selalunya akan semakin keras apabila semakin lama digunakan. Jika kandungan fosforus tinggi, keluli itu akan menjadi keras sebelum ia digunakan beberapa kali.

Disebabkan fosforus cenderung mengekalkan struktur martensit yang keras, ia menyebabkan keluli mangan kehilangan ciri kebolehkimpalan. Ia mungkin retak semasa dikimpal. Fosforus akan meningkatkan tahap suhu pembentukan martensit (Ms dan Mf) yang menyebabkan martensit sisa wujud semasa lindap kejut dilakukan terhadap keluli mangan austenit.

Jika diteliti mikrostrukturnya pula, kandungan fosforus melebihi 0.05% dalam keluli mangan akan membentuk filem eutektik fosforus iaitu mendakan fosforus yang berkumpul di sana.

Eutektik fosforus itu wujud dalam bentuk (FeMn)₃P, iaitu suatu bentuk eutektik yang bertitik lebur rendah dan cenderung untuk melebur sempadan butir austenit dan merosakkan struktur itu. Inilah fenomena yang dikatakan kehilangan kebolehkerasan kerja dan gejala kerapuhan keluli mangan austenit.

Kesan fosforus dalam besi tuang kelabu.

JIka berbincang hal besi tuang kelabu (grey cast iron) selain karbon, silikon , mangan dan sulfur, fosforus secara umumnya menjadi salah satu 5 unsur penting yang membentuk elements besi ini.

Fosforus larut secara terhad ke dalam struktur auatenit besi tuang kelabu. Kandungan fosforus berkurangan dengan bertambahnya kandungan karbon ke dalam besi kerana fosforus juga akan menghampiri sempadan butir selepas besi lebur sejuk.

Dengan kehadiran komponen pembentuk karbida seperti Kromium dan Vanadium dan jika besi tuang kelabu dihasilkan menggunakan acuan pasir, fosforus akan membentuk pengumpulan eutektik ferit dan besi fosfida Fe₃P yang dikenali sebagai stedit (steadite). Struktir eutektik ini membeku pada suhu 952ºC. Suhu pemejalan leburan besi ini akan menurun dengan kehadiran fosforus yang tinggi. Partikel stedit ini mampu dilihat pada suhu bilik walaupun dengan kehadiran fosforus seminima 0.05%.

Contoh struktur steadit yang diterima (kandungan fosforus sederhana)

Struktur jaringan steadite di sekeliling lautan pearlite (bentuk cecacing ) yang tidak dikehendaki

Struktur steadit dalam besi tuang kelabu berfosforus tinggi

Jika besi tuang ini mengandungi fosforus melebihi 0.2%, steadit akan memejal dan terasing dan membentuk struktur cekung segitiga. Jika fosforus melebihi 0.4% jaringan bulatan fosfida (cellular phosphide network) akan terbentuk di sekeliling sel eutektik. Jaringan inilah yang perlu dielakkan kerana ia akan menyebabkan besi menjadi rapuh.

Aplikasi besi tuang yang biasa digunakan dengan kandungan fosforus tinggi ialah seperti kasut brek pada roda keretapi yang mengandungi sekitar 2.5–3.5% fosforus. Besi tuang kelabu berfosforus tinggi dipilih kerana ia memiliki ketahanan haus yang baik serta kurang percikan api semasa brek digunakan.

Namun jika kandungan fosforus melampau di dalam besi ini (lebih 0.4%), ia akan mengurangkan kekuatan terikan dan kemunculan steadit merentasi sempadan butir.

Pengawalan fosforus adalah penemuan kejuruteraan yang boleh dibanggakan kerana teknik penyingkiran secara sanga alkali (basic slag) adalah suatu penemuan yang berjaya mengurangkan masalah kegagalan keluli dan besi. Dahulu, teknik sanga berasid seperti kaedah perleburan Bessemer telah menggagalkan fungsi keluli kapal Titanic. Justeru teknik penyingkiran dan penggunaan teknik perleburan secara alkali adalah kejayaan para metalurgis memanjangkan hayat penggunaan keluli di muka bumi ini.

Muhammad Nuruddin Bashah

Moulding Engineer

Teknik pengawalan nitrogen dalam proses perleburan keluli yang menggunakan relau arka elektrik

Disiarkan dalam Majalah Dewan Kosmik Ogos 2010

Teknik pengawalan nitrogen dalam proses perleburan keluli yang menggunakan relau arka elektrik

Kebelakangan ini ramai jurutera metalurgis giat mengkaji bagaimana cara untuk menghasilkan keluli tuang (casting) yang bebas dari kecacatan seumpama kecacatan akibat gas yang terperangkap dalam pepejal keluli. Tulisan ini adalah salah satu usaha untuk membantu para jurutera muda mendapat bahan bacaan berbahasa Melayu untuk mendalami aspek mudah pengawalan nitrogen dalam pembuatan keluli.

Selalunya hasil gas yang terperangkap ini dapat dilihat sebagai lelubang pin yang kecil dan bersaiz bujur. Malah masalah nitrogen yang terperangkap dalam keluli ini juga akan mengurangkan kekuatan keluli, meningkatkan kerapuhan kesan zon panas atau ‘embrittlement of the heat affected zone’ (HAZ) pada keluli kimpalan dan kelemahan ubahbentuk kerja sejuk (cold formability). Ia juga boleh mengurangkan ketahanan terhadap haba yang baik. Adalah sesuatu yang wajib untuk para jurutera metalurgis memastikan kandungan nitrogen di dalam keluli semasa dan selepas perleburan adalah seminima yang mungkin.

Sebenarnya selain aplikasi penggunaan teknologi sokongan yang moden serta sofistikated, pengawalan kadar nitrogen dengan menggunakan teknik konvensional adalah amat efektif sekiranya para jurutera menyedari faktor utama bagaimana nitrogen boleh terperangkap dalam keluli leburan.

Dalam penggunaan relau arka elektrik (electric arc furnace), nitrogen boleh dikurangkan melalui penggunaan DRI dan beberapa teknik yang akan dibincangkan.

Semasa keluli berada dalam bentuk leburan, nitrogen wujud dalam bentuk lelubang gas, mendakan sebatian nitrid seperti aluminim nitrida atau terperangkap dalam larutan pejal tanpa tindakbalas kimia. Nitrogen larut semaksima 450 ppm dalam keluli atau besi lebur.

DRI (direct reduced iron) atau selalunya digunakan dalam bentuk HBI (hot brequetted iron) adalah bahan yang sesuai untuk mendapat unsur sisa atau tambahan seperti karbon dan silikon kerana kandungannya yang seperti berikut:

	%
Jumlah Fe	94-95
Karbon	1.0 - 1.5 + 0.3
Sulfur	0.0005 - 0.015
Fosforus	0.02 - 0.09
Silikon Oksida	1.0 - 2.0

Namun begitu, selepas diteliti kemampuan bahan ini, secara praktikalnya ia boleh mengurangkan kandungan gas yang terperangkap terutama nitrogen yang terperangkap daripada atmosfera.

DRI adalah bahan suapan untuk perleburan keluli dan besi yang dihasilkan melalui penurunan oksigen di dalam bijih besi yang dilakukan secara langsung (direct) tanpa melalui proses perleburan. Proses ini adalah proses yang menyamai proses penguraian (smelting) bagi bijih besi. Selalunya DRI dihasilkan dalam bentuk briket (briquettes) panas yang dihasilkan melalui pemampatan DRI pada suhu 650 C.

HBI ini kaya dengan karbon bebas dan partikel karbida kerana ia belum melalui proses perleburan. Karbon sebegini amat sesuai untuk menghasilkan tindakbalas pendidihan karbon yang baik. Di dalam teknik perleburan keluli, proses pembaikan (refining) berlaku apabila tindakbalas pendidihan karbon berlaku iaitu melalui suntikan gas oksigen bertekanan tinggi ke dalam mandian keluli lebur.

Pendidihan ini akan membuang semua oksida di dalam keluli dan menghubungkan oksida berkenaan dengan slanga (slag) dan bakal dibuang. Pendidihan ini juga akan mengurangkan kandungan karbon di dalam komposisi keluli lebur kepada kandungan yang diingini oleh kita.

Namun begitu, pendidihan ini selalunya akan menaikkan suhu mandian keluli lebur dan boleh menyah nitrogen yang terperangkap dalam keluli lebur melalui penghasilan buih-buih karbon monoksida (akibat pendidihan) iaitu ia bertindak dengan melekapkan molekul nitrogen di dalam bebuih karbon monoksida.

Industri keluli global hari ini menggunakan sebanyak 22 peratus besi alternatif seperti DRI/HBI untuk menggantikan ‘pig iron’, bijih besi atau skrap besi terpakai yang kadangkala tidak membantu mengurangkan keterlarutan nitrogen di dalam leburan keluli.

Di samping membantu menghalang keterlarutan nitrogen di dalam leburan keluli, DRI juga bertindak mengurangkan penggunaan elektrod pada relau arka elektrik kerana ia tidak menghasilkan pengarkaan yang terlalu banyak. Penghasilan bebuih karbon monoksida semasa proses pendidihan juga mengelakkan elektrod karbon daripada teroksida.

Sumber nitrogen dalam penghasilan kekuli menggunakan relau arka elektrik.

Nitrogen wujud dalam keluli melalui dua cara iaitu melalui bahan suapan seperti besi skrap dan juga melalui serapan nitrogen dari atmosfera semasa proses perleburan.

Kandungan nitrogen dalam bahan suapan adalah seperti berikut

Besi Scrap 30-120 ppm

HBI/DRI 20-30 ppm

Cold pig iron (CPI) 20-30 ppm

Coke ( arang batu) 5000-10000 ppm

Gas oksigen 30-200 ppm

Penggunaan gas nadir seperti Argon (Ar) <30>

Kalsium Oksida 400 ppm

Manakala kandungan nitrogen melalui proses perleburan keluli menggunakan relau arka elektrik boleh diterjemahkan melalui graf di atas.

Graf ini adalah menurut kajian Pillot (Pilliod, C F, Variables Affecting the Nitrogen Content of Carbon and Low Alloy Acid Electric Arc Furnace Steels, 46th Electric Furnace Conference Proceedings, Pittsburgh (USA), 6-9 December, 1988, The Iron and Steel Society, pp. 107-110 ) di mana garisan tebal mewakili proses yang menggunakan 50% skrap kilang kitar semula 50% besi skrap umum. Manakala garisan putus pula mewakili proses yang menggunakan 100% besi skrap.

Keterlarutan nitrogen sepanjang proses boleh diringkaskan seperti berikut:

A: Proses awal permulaan elektrod karbon. ( kandungan nitrogen melebihi 0.005%)

B: Terhasil kolam kecil leburan keluli (kandungan nitrogen meningkat mendadak sehingga 0.02% akibat pengarkaan elektrod)

C: Perleburan sisa bahan suapan ( kandungan nitrogen menurun)

D: Kolam leburan keluli dipanaskan sehingga ke suhu didih ( tiada perubahan kandungan nitrogen)

E: Tempoh masa pendidihan keluli ( penurunan mendadak nitrogen sehingga 0.005% akibat bebuih karbon monoksida yang memerangkap dan menyah nitrogen)

F: Bahan suapan Ferroalloy ditambah dan kolam leburan dipanaskan ke suhu tuangan ‘tapping temperature’ ( tiada perubahan kandungan nitrogen)

G: Leburan dituang ke laddle (kandungan nitrogen meningkat akibat tindakbalas dengan atmosfera)

H: Leburan besi dibiar seketika dalam laddle untuk bacaan suhu ( tiada perubahan nitrogen)

I: Proses tuangan ke acuan ( ada peningkatan kecil nitrogen)

Tempoh masa di mana kandungan nitrogen berjaya dikurangkan hanya pada saat skrap mulai lebur serta pada ketika pendidihan berlaku. Semasa tempoh C iaitu perleburan skrap, lapisan slaga mulai terbentuk dan ini menghalang tindabalas nitrogen atmosfera dengan permukaan leburan keluli dalam relau.

Teknik pengawalan kandungan nitrogen semasa proses perleburan.

1. Kaedah pengawalan yang paling utama ialah memilih bahan suapan yang mengandungi kadar nitrogen yang rendah.

Selalunya bahan suapan yang digunakan seperti ‘pig iron’, bijih besi serta skrap mengandungi nitrogen. Di sinilah peranan awal DRI untuk dipilih sebagai bahan utama suapan untuk perleburan keluli kerana kandungan nitrogennya yang rendah. Pig iron juga mengandungi kandungan nitrogen yang rendah seperti DRI, akan tetapi pig iron memiliki kandungan fosforus dan sulfur yang amat tinggi serta tidak sesuai untuk perleburan keluli aloi rendah dan keluli tahan karat austenitik. Ia mungkin sesuai untuk kegunaan keluli bebas mesin (free cutting steel) yang menggunakan kandungan forforus yang banyak.

Jika pengeluar tetap ingin menggunakan skrap besi lama yang selalu digunakan, mereka boleh mengurangkan kandungan nitrogen melalui pemeriksaan spesifikasi skrap berkenaan menggunakan mesin penganalisa spektrometer. Pilihlah skrap yang terendah nitrogennya.

2. Pencegahan penyerapan nitrogen dari atmosfera semasa proses perleburan.

Seperti yang dijelaskan dalam graf di atas, nitrogen diserap ke dalam mandian leburan keluli semasa proses perleburan bermula serta paling banyak terserap semasa proses pengarkaan. Dalam proses ini molekul N2 akan dipecahkan kepada monatomik nitrogen (N). Hal ini sama seperti mana percikan kilat boleh memecahkan molekul nitrogen di udara.

Penggunaan DRI juga menggalakkan pembentukan slanga pada awal perleburan keluli dan ini akan menghalang permukaan leburan keluli bertemu dengan atmosfera yang kaya dengan gas nitrogen. Semasa awal pengarkaan berlaku, slanga nipis yang berbuih telah terbit akibat penggunaan DRI. DRI akan membantu menghasilkan slanga yang terdiri daripada Silikon Oksida SiO2, Aluminum Oksida Al2O3, Kalsium Oksida CaO, Kalium Oksida K2O, Titanium Oksida TiO2, Magnesium Oksida MgO, dan Fosforus Pentaoksida P2O5, serta besi oksida FeO.

Relau arka elektrik juga perlu ditutup dengan rapi semasa pengarkaan berlaku untuk mengurangkan monatomik nitrogen yang terbentuk. Pembukaan pintu suapan dan lubang tapping tanpa sebab musabab perlu dikurangkan atau dielakkan.

Penggunaan gas nadir yang tidak mengandungi nitrogen seperti penggunaan argon dalam proses juga amat berkesan. Selalunya proses pengacauan (stirring) keluli lebur, pembersihan ‘laddle’ dan seumpamanya menggunakan udara biasa yang kaya dengan nitrogen. Jadi argon adalah pilihan yang terbaik di samping fungsi argon mampu menyejukkan (menurunkan sedikit) suhu leburan keluli kepada tahap suhu tuang yang sesuai dengan acuan yang disediakan. Di samping itu menembak argon ke dalam leburan keluli sehingga menerbitkan bebola buih besar mampu menangkap nitrogen dan membuang terus ke udara. Teknik ini dikenali sebagai suntikan argon ke dalam laddle.

Elakkan juga proses ‘tapping’ (penuangan dari relau ke laddle) pada suhu yang terlalu tinggi melebihi suhu tuangan yang ditetapkan. Hal ini kerana semakin tinggi suhu tapping, semakin mudah nitrogen luar memasuki leburan keluli itu semula.

Semasa proses penuangan, pastikan juga jarak antara lubang ‘bottom pour ladle’ (sesenduk tuangan bawah) dengan lubang tuangan (pouring cup) tidak terlalu jauh dan sebaiknya adalah sekadar jarak sekaki. Ketinggian jarak antara lubang ladle dengan tempat tuangan akan membenarkan penyerapan nitrogen semula.

3. Penyah nitrogen daripada keluli

Teknik mudah untuk membuang nitrogen yang terserap juga ke dalam leburan keluli adalah melalui penghasilan pendidihan keluli sehingga terbitnya bebuih karbon monoksida. Jika pihak pengeluar enggan menggunakan DRI, karbon monoksida tetap terhasil namun ia perlu dikawal dengan baik untuk menghasilkan pendidihan yang terbaik. Pendidihan yang terbaik ialah selepas keluli mengalami proses ‘slag off’ (pembuangan slanga) yang terlalu banyak untuk membuang elemen-elemen lain yang menganggu penghasilkan bebuih karbon monoksida dan silikon oksida. Suhu juga dinaikkan sehingga menghasilkan bebuih karbon monoksida yang aktif untuk menangkap nitrogen.

Selain itu tenik penyahgas vakum juga merupakan teknik membuang nitrogen terperangkap dalam keluli. Namun ia jarang digunakan beserta dengan relau arka elektrik.

Terkini syarikat VESUVIUS telah menghasilkan tiub tuangan (pouring tube) yang diperbuat daripada grafit alumina di mana tiub ini mampu mengurangkan kenaikan kadar nitrogen dalam keluli yang telah dituang ke dalam acuan. Tiub ini kurang hakisan dan mengurangkan inklusi dalam casting yang mampu terurai membebaskan nitrogen.

Faedah nitrogen dalam perleburan

Walaupun banyak pengeluar keluli inginkan keluli terendah kandungan nitrogennya, namun begitu nitrogen tetap bermanfaat jika kuantitinya terkawal. Nitrogen akan bertindakbalas dengan elemen sisa membentuk Titanium Nitrida atau Vanadium Nitrida yang amat baik untuk menurunkan suhu perubahan fasa mulur-rapuh (Ductile-Brittle transition temperature). Suhu perubahan ini amat perlu direndahkan terutama untuk aplikasi di tempat iklim sejuk dan lautan sejuk.

Nitrogen juga boleh digunakan untuk memasukkan bahan untuk proses desulfurisasi ke dalam leburan besi (contohnya memasukan kalsium karbida) untuk menghilangkan sulfur dari besi. Hal ini khususnya bermanfaat pada produksi besi spheroidal graphite iron (SG, ductile)

Setiap ciptaan tuhan seperti gas-gas di udara memiliki kelebihan dan peranan tersendiri. Kajian dalam bidang metalurgi akan menghasilkan para jurutera dan pengkaji sains yang memahami kebesaran tuhan yang mencipta alam ini dengan segala rahsia dan sistem tersendiri.

Muhammad Nuruddin Bashah

Metalurgis Melayu

Macam mana kalau Sulfur dan Phosforus meningkat semasa masak Low Alloy Steel?

Macam mana kalau Sulfur dan Phosforus meningkat semasa masak Low Alloy Steel?

Muhammad Nuruddin Bashah

Selalunya, jika kandungan Sulfur meningkat dalam spesifikasi kimia besi lebur, kita masih berpeluang untuk menurunkannya dengan pelbagai kaedah antaranya adalah melalui kaedah slag-off (pembuangan slag). Kebiasaannya kandungan maksima sulfur dalam Low Allo Steel ialah sebanyak 0.02% hingga 0.03% sahaja. Manakala kandungan Phosforus ialah maksima sebanyak 0.02% hingga 0.025% sahaja.

Sulfur dan phosforus adalah pasangan adik beradik yang selalunya diminimakan dalam kandungan Low Alloy Steel kerana ianya memberi kesan buruk kepada kebolehmesinan dan menyebabkan masalah kerapuhan. Phosporus akan menyebabkan besi menjadi rapuh serta masalah cold-shortness ( besi rapuh walaupun pada suhu bilik). Manakala sulfur menyebabkan kecenderungan besi untuk segregat pada grain boundry ( sempadan butir) serta menghilangkan kemuluran pada suhu panas ( hot shortness atau red shortness). Ini juga menyebabkan pada suhu tinggi, besi tidak menjadi mulur sebaliknya rapuh dan keras.

Jadi kedua-dua ini perlu dikurangkan.

Dalam masalah yang saya hadapi baru-baru ini ialah, kandungan sulfur agak tinggi iaitu sekitar 0.28% (berpotensi terus meningkat), manakala phosforus pula meningkat lebih lagi dari hadnya iaitu 0.30%. Kes ini terbalik dari keadaan biasa. Jika kita melakukan proses boiling-refining, sulfur akan turun terlebih dahulu diikuti dengan phosphorus.

Jika sulfur sahaja yang tinggi, kita boleh rendahkannya dengan menambah Calcium Carbide atau CaSiMn (Calsium Silicon Manganese) kerana dua benda ini berupaya menangkap Sulfur bebas.

Jadi disebabkan ini masalah pasangan adik beradik, kami bercadang nak boiling semula kemudian slag-of (buang slag keluar)

Baik, step mula kami ialah boiling dahulu…..

Phosphorus+ Oksigen (boiling) – Phosphorus pentoxide ( P2O5)

Limestone (CaCO3) pula dioksidakan semasa boiling menjadi CaO (Kalsium Oksida) yang akan menurunkan pula Sulfur pada FeS.

FeS + CaO(from flux) – CaS (Calcium Sulfide) + FeO

Lebih beruntung apabila Sulfur juga boleh diturunkan oleh Manganese menjadi MnS (manganese Sulfide)

Phosforus pula hanya boleh dibuang melalui pengoksidaan menjadi Phosforus Pentoksida sahaja. Kerana itulah selalunya Phosforus sukar diturunkan kandungannya.

Selepas kami boiling besi tersebut dengan oksigen, terus dimasukkan limestone (batu kapur) dengan lebih banyak lagi. Api akan menyambar apabila batu dimasukkan dan terus menggelegak. Besi ditarik keluar dengan sebatang besi rabble dan slag terus meluncur keluar (slag-off). Malang sekali apabila slag-off yang terlalu kerap dan banyak menyebabkan kita merugian begitu banyak kandungan besi keran dalam slag juga ada FeO (besi oksida) yang boleh dikembalikan dalam spesifikasi besi lebur.

Kami hentikan slag-off. Masalah kedua muncul iaitu slag yang tinggal membeku kerna terlalu banyak batu kapur dimasukkan!

Slag peru dilembutkan barulah alloy dan bahan tambah lain boleh dimasukkan. Jadi reducing slag dilakukan.

Apakah reducing slag? Proses ini ialah dengan memasukkan serbuk aluminum dan flourspar (Calcium Flourite) yang akan menurunkan takat lebur slag (slag jadi cair) .

Masalah ketiga muncul! Iaitu sulfur dan phosphorus tadi pun lebur dan masuk semula dalam besi yang kita masak tu!

Jadi apa cara terakhir? Pig sahaja besi itu… (pig maksudnya besi lebihan atau besi yang out spec)