Jika Anda memasuki bengkel peleburan pada tahun 1960-an, oksigen berarti seorang pria dengan pakaian kulit tebal yang menusukkan pipa baja melalui pintu tungku. Saat ini, oksigen berarti tombak jet koheren, pembakar pasca-pembakaran, dan pengendalian terak busa — dan ini adalah salah satu alasan utama mengapa EAF modern dapat mencapai waktu peleburan 40 menit. Artikel ini membahas apa sebenarnya fungsi oksigen di dalam tungku, bagaimana teknologi ini telah berkembang, dan apa yang penting untuk mendapatkan hasil maksimal darinya.
I. Apa yang Dilakukan Oksigen dalam EAF
1.1 Lima Fungsi Oksigen
Oksigen bukan hanya tentang dekarburisasi, meskipun itu judul utamanya. Dalam tungku modern, oksigen melakukan lima pekerjaan berbeda:
Dekarburisasi
Ini adalah reaksi intinya: C + O → CO. Gelembung CO mengaduk cairan, yang membantu mengusir gas terlarut dan inklusi non-logam. Dekarburisasi juga merupakan jalur utama untuk penghilangan karbon dalam pembuatan baja EAF — Anda tidak dapat membuat baja karbon rendah secara efisien tanpa injeksi oksigen yang terkontrol.
Defosforisasi
Oksigen mengoksidasi fosfor dalam larutan menjadi P₂O₅, yang kemudian bergabung dengan CaO membentuk kalsium fosfat yang masuk ke dalam terak. Tanpa oksigen yang cukup dan terak yang dikondisikan dengan benar, fosfor Anda tidak akan masuk ke dalam larutan.
Pemanasan Tambahan
Menyiramkan oksigen ke dalam bak peleburan bukan hanya soal kimia — oksidasi eksotermik besi, karbon, silikon, dan unsur lainnya melepaskan panas. Setiap meter kubik oksigen yang digunakan untuk oksidasi bak peleburan menghemat sekitar 3–5 kWh energi listrik per ton baja. Memang tidak gratis — Anda mengoksidasi besi yang akhirnya menjadi terak — tetapi penghematan energi biasanya sepadan.
Pasca-Pembakaran
CO yang dihasilkan oleh dekarburisasi dapat dibakar menjadi CO₂ di dalam tungku: CO + ½O₂ → CO₂. Reaksi tersebut melepaskan sekitar 238 kJ per mol CO, atau kira-kira 10,6 MJ per meter kubik CO yang terbakar. Menangkap energi kimia itulah yang menjadi tujuan dari pasca-pembakaran — proses ini dapat memulihkan 30%–50% energi kimia yang seharusnya terbuang melalui cerobong asap.
Pembentukan Terak Busa
Injeksi oksigen terkontrol (dikombinasikan dengan penambahan karbon strategis) menghasilkan pasokan gelembung CO yang stabil melalui terak. Jika komposisi kimia terak tepat, gelembung-gelembung tersebut akan menciptakan busa stabil yang menutupi busur api. Di situlah peningkatan efisiensi termal yang sebenarnya berasal.
1.2 Bagaimana Teknologi Oksigen Berkembang
Era Apa yang Terjadi Teknologi Utama
Tahun 1950-an–1960-an Penyemprotan pintu manual. Tombak oksigen baja, genggam.
Pembakar berbahan bakar oksigen tahun 1970-an–1980-an untuk pembakar gas alam O₂ dengan bantuan peleburan
Tahun 1980-an–1990-an: Lance yang dipasang di dinding, lance berpendingin air, lance dinding tetap.
1990-an–sekarang Oksigen penetrasi dalam, pasca-pembakaran, pengendalian terak busa Tombak jet koheren, sistem terintegrasi
II. Penusukan Oksigen pada Pintu Tungku
2.1 Cara Kerjanya (dan Mengapa Masih Ada)
Penusukan pintu persis seperti namanya. Seorang operator memasukkan pipa baja (biasanya berdiameter luar ½" hingga 1") melalui pintu tungku dengan sudut 15–30°, memposisikan ujungnya 50–200 mm di atas bak, dan membuka katup oksigen. Tekanan biasanya 0,3–0,8 MPa.
Meskipun sederhana, alat ini berfungsi. Operator dapat melihat apa yang terjadi dan melakukan penyesuaian secara real-time. Untuk tungku kecil dan situasi khusus, alat ini tetap bermanfaat.
2.2 Realita: Ada Batasnya
Menyalurkan racun melalui pintu memiliki kekurangan nyata:
- Kondisi kerja yang berat — operator berdiri di depan panas 1.600°C dengan asap dan panas radiasi.
- Efisiensi oksigen rendah — sebagian besar oksigen terbakar di ruang kosong di atas bak alih-alih bereaksi di dalam logam.
- Risiko keselamatan — ledakan balik dan percikan logam merupakan bahaya nyata
- Tidak ada presisi — Anda tidak dapat mengontrol laju aliran oksigen atau kedalaman penetrasi secara konsisten.
Itulah mengapa tungku modern telah beralih ke tombak yang dipasang di dinding, berpendingin air, dan diposisikan secara mekanis. Tetapi jika Anda menjalankan bengkel kecil, penggunaan tombak di pintu masih menjadi bagian dari perlengkapan kerja.
2.3 Jika Anda Melakukannya, Lakukanlah dengan Benar
- Jangan pegang ujung tombak terlalu dekat dengan bak mandi karena akan menimbulkan cipratan yang hebat; jika terlalu jauh, sebagian besar oksigen akan teroksidasi di ruang gas.
- Jaga agar ujung tombak tetap bergerak sehingga Anda tidak menciptakan titik panas lokal — Anda ingin seluruh bak teroksidasi, bukan hanya satu sudut.
- Kenakan APD (Alat Pelindung Diri) yang sesuai. Ini bukan tempat untuk mengabaikan keselamatan.
III. Bantuan Peleburan Oksigen-Bahan Bakar
3.1 Gagasan Dasar
Pembakar berbahan bakar oksigen yang dipasang di dinding tungku menggunakan nyala api bersuhu tinggi untuk memanaskan besi tua yang tidak dapat dijangkau langsung oleh busur listrik — terutama titik-titik dingin di dekat dinding tungku. Bahan bakar (gas alam, bubuk batubara, atau minyak ringan) terbakar dalam oksigen murni, menghasilkan suhu nyala api 2.500–3.000°C.
Hal ini penting karena busur listrik merupakan sumber panas titik. Jika Anda hanya mengandalkan busur listrik saja, bagian tengah tungku akan meleleh dengan cepat dan bagian tepinya akan tertinggal. Pembakar meratakan distribusi suhu tersebut dan memperpendek waktu peleburan.
3.2 Pilihan Bahan Bakar
Oksigen-Gas Alam
Standar industri. Rasio O₂:gas alam biasanya sekitar 2:1 berdasarkan volume. Suhu nyala api sekitar 2.800°C. Pembakaran bersih, kontrol yang baik, dan pasokan gas alam yang andal di sebagian besar wilayah industri.
Bubuk Oksigen-Batu Bara
Bahan bakar yang lebih murah jika Anda memiliki pasokan batu bara di lokasi, tetapi Anda memerlukan sistem persiapan dan injeksi batu bara bubuk. Abu akan bercampur dengan terak, meningkatkan volume terak dan berpotensi memengaruhi komposisi kimia terak. Lebih umum di daerah di mana gas alam mahal atau tidak tersedia.
Minyak Ringan Oksigen
Diesel atau minyak berat. Pengapian yang andal dan pembakaran yang stabil, tetapi biaya bahan bakar tinggi dan peraturan lingkungan tentang NOx dan partikulat semakin diperketat. Bukan pilihan umum untuk instalasi baru.
3.3 Apa yang Sebenarnya Dihasilkan oleh Burner
- Waktu peleburan: 10–20 menit lebih singkat bila pembakar digunakan secara efektif
- Konsumsi daya: penghematan 30–80 kWh/t per pemanasan
- Masa pakai lapisan tungku: manfaat tidak langsung — pembakar memanaskan dinding secara langsung, yang mengurangi beban radiasi busur pada bahan tahan api di dinding samping.
- Distribusi suhu: lebih seragam, yang membantu pembentukan terak dan pelarutan paduan.
3.4 Membuatnya Berfungsi
Penempatan burner sangat penting. Biasanya Anda akan melihat 4–8 burner pada tungku berukuran sedang hingga besar, yang dipasang di area dinding tengah hingga atas. Burner perlu diurutkan dengan pengaturan elektroda — Anda tidak ingin burner memanaskan skrap yang sudah meleleh, dan Anda tidak ingin busur api menyala dengan daya penuh terhadap dinding yang dingin.
Jaga kebersihan ujung pembakar. Penumpukan kerak pada nosel merusak pola nyala api dan membuang bahan bakar.
IV. Tombak Oksigen Jet Koheren
4.1 Mengapa Jet Koheren Penting
Lance oksigen supersonik konvensional menghasilkan pancaran yang cepat menyebar — kedalaman penetrasi efektif hanya sekitar 10–15 kali diameter nosel. Lance pancaran koheren mengatasi masalah ini dengan membungkus pancaran oksigen berkecepatan tinggi di tengahnya dalam selubung melingkar dari gas pelindung (biasanya gas alam atau udara). Selubung tersebut menekan masuknya gas-gas di sekitarnya, dan pancaran di tengah tetap koheren untuk jarak yang jauh lebih panjang.
Kedalaman penetrasi dengan pancaran koheren: 30–50 kali diameter nosel. Itu berarti penetrasi cairan yang lebih dalam, pengadukan yang lebih kuat, dan pemanfaatan oksigen yang jauh lebih baik.
4.2 Apa yang Ada di Dalam Tombak
Sebuah jet lance koheren adalah rakitan komposit:
- Nosel oksigen sentral — menghasilkan pancaran oksigen berkecepatan tinggi
- Saluran gas melingkar — memasok aliran gas pelindung
- Jaket pendingin air — tombak beroperasi di lingkungan yang keras; pendinginan sangat diperlukan
- Badan tombak — dipasang di dinding tungku, biasanya dapat ditarik agar tetap berada di luar bak saat kondisi terak berbusa.
4.3 Apa yang Anda Dapatkan
Penetrasi Lebih Dalam, Dekarburisasi Lebih Baik
Pancaran koheren membentuk rongga penetrasi yang lebih dalam di dalam bak. Area kontak oksigen-logam dan waktu reaksi keduanya meningkat secara substansial. Efisiensi dekarburisasi meningkat dan Anda dapat menyelesaikan lebih banyak pekerjaan dengan lebih sedikit oksigen — pengurangan konsumsi oksigen sebesar 10%–20% untuk target dekarburisasi yang sama.
Pengadukan yang Lebih Baik
Gelembung CO yang dihasilkan oleh injeksi oksigen dalam memiliki jalur yang lebih panjang melalui bak. Itu berarti pencampuran yang lebih menyeluruh, yang membantu menghomogenkan suhu dan komposisi kimia sebelum Anda mengambil air.
Terak Busa yang Lebih Mudah
Injeksi dalam menempatkan reaksi karbon-oksigen di bagian bawah bak. Gelembung CO harus naik melalui seluruh lapisan terak, mengembang saat naik — dan itulah mekanisme yang tepat untuk membangun terak busa yang stabil.
4.4 Instalasi dan Pengoperasian
- Posisi: dinding tungku bagian bawah, miring ke bawah 15–30° agar pancaran air menembus jauh ke dalam bak.
- Pengaturan waktu: mulai injeksi dari pertengahan hingga akhir peleburan hingga akhir periode oksidasi
- Tekanan: biasanya 0,8–1,5 MPa pada ujung tombak
- Kontrol posisi tombak: tombak harus ditarik kembali saat permukaan cairan dalam bak mandi turun, menjaga kedalaman penetrasi tetap konsisten.
V. Pasca-Pembakaran
5.1 Menangkap Energi CO
Setiap meter kubik CO yang keluar dari tungku tanpa terbakar adalah energi kimia yang telah Anda bayar (dalam oksigen dan daya listrik) dan tidak Anda peroleh kembali. Pembakaran lanjutan membakar CO tersebut menjadi CO₂ di dalam tungku, di mana panasnya dapat ditransfer ke bak dan skrap.
Angka-angka pemulihan energi ini patut dipahami:
- CO → CO₂ melepaskan ~238 kJ per mol CO
- Itu setara dengan ~10,6 MJ per meter kubik CO yang terbakar
- Pada efisiensi pasca-pembakaran 50%–70%, penghematan energi listriknya cukup signifikan.
5.2 Cara Melakukannya
Tombak Pasca-Pembakaran Khusus
Tombak yang dipasang di dinding menyuntikkan oksigen ke ruang bebas — ruang antara permukaan terak dan atap. Oksigen bercampur dengan CO yang naik dan membakarnya.
Desain Tombak Terintegrasi
Beberapa nosel jet koheren canggih menggabungkan port oksigen pasca-pembakaran pada badan nosel yang sama. Hal itu menyederhanakan tata letak dinding tungku dan memungkinkan Anda mengontrol oksigen utama dan oksigen pasca-pembakaran dari satu sistem penempatan.
Injeksi Pintu atau Atap
Kurang umum, tetapi mungkin. Oksigen disuntikkan melalui pintu atau melalui lubang di atap untuk mendorong pembakaran CO di ruang bebas lambung kapal.
5.3 Membuat Proses Pasca-Pembakaran Berfungsi
Oksigen harus bercampur dengan CO, yang berarti titik injeksi harus berada di ruang bebas di mana konsentrasi CO tinggi. Anda juga perlu menyesuaikan aliran oksigen pasca-pembakaran dengan laju injeksi oksigen utama — terlalu banyak oksigen pasca-pembakaran akan menyebabkan oksidasi berlebihan pada terak, yang meningkatkan beban deoksidasi pada periode reduksi.
Analisis gas tungku secara real-time (kandungan CO dan CO₂) memungkinkan Anda untuk mengatur aliran oksigen pasca-pembakaran. Jika Anda tidak mengukur gas buang, Anda hanya menebak-nebak.
5.4 Hasil yang Dapat Anda Harapkan
- Pemulihan energi: 30%–50% dari energi kimia CO yang tersedia
- Penghematan daya: 15–40 kWh/t
- Waktu pemanasan lebih singkat: 3–8 menit
- Peringatan: jika berlebihan, Anda akan mengoksidasi terak secara berlebihan, yang berarti lebih banyak zat penghilang oksida dan berpotensi meningkatkan kecenderungan inklusi pada baja akhir.
VI. Praktik Terak Busa
6.1 Bagaimana Terak Busa Terbentuk
Terak busa adalah satu-satunya ukuran efisiensi termal yang paling efektif dalam pembuatan baja EAF. Ketika laju pembentukan gelembung CO dalam terak melebihi laju keluarnya gas, gelembung akan menumpuk, terak mengembang, dan terbentuklah busa.
Empat syarat harus dipenuhi:
Produksi CO yang stabil — dari dekaburisasi oksigen
2. Sifat terak yang sesuai — viskositas tidak boleh terlalu rendah (gelembung keluar sebelum menumpuk) atau terlalu tinggi (terak tidak akan mengembang)
3. Volume terak yang cukup — jika volume terak tidak cukup, Anda tidak dapat membangun lapisan busa yang stabil.
4. Gelembung yang naik dari bak mandi — reaksi karbon-oksigen perlu terjadi di dalam logam, sehingga gelembung masuk dari bawah.
6.2 Mengendalikan Busa
Kimia Terak
Kebasaan (CaO/SiO₂) dalam kisaran 2,5–3,5 biasanya menjadi target. Terlalu rendah dan terak tidak akan terfluidisasi dengan baik; terlalu tinggi dan menjadi kental. Sejumlah kecil fluorspar membantu fluiditas. Kandungan FeO juga penting — terlalu banyak FeO dan terak menjadi encer, dan busa runtuh.
Koordinasi Oksigen dan Karbon
Injeksi oksigen mendorong dekarburisasi yang menghasilkan CO. Jika laju dekarburisasi alami tidak cukup, Anda dapat menambahkan kokas atau batu bara ke dalam cairan untuk meningkatkan laju reaksi karbon-oksigen. Kuncinya adalah mencocokkan intensitas reaksi karbon-oksigen dengan daya busur — Anda menginginkan gelembung yang cukup untuk menutupi busur, tetapi tidak terlalu banyak sehingga terak meluap.
Tinggi Busa
Lapisan terak busa harus setebal 1,5–2 kali panjang busur, sehingga busur terkubur sepenuhnya. Biasanya ini berarti lapisan terak setebal 300–500 mm. Anda akan tahu bahwa sistem ini berfungsi ketika efisiensi listrik meningkat dan suhu refraktori dinding samping menurun.
6.3 Mengapa Anda Membutuhkan Terak Busa
Perisai Radiasi Busur
Terak busa sepenuhnya menyelimuti busur api. Radiasi busur api diserap oleh terak dan ditransfer ke bak, sehingga meningkatkan efisiensi termal sebesar 10%–15%. Pada saat yang sama, dinding dan atap tungku terlindungi dari radiasi busur api langsung, yang memperpanjang umur pakai material tahan api.
Pengurangan Kebisingan
Busa terak menyerap kebisingan busur listrik. Tungku yang berbusa dengan baik akan jauh lebih senyap — 10–15 desibel lebih rendah. Di ruang kendali, ini adalah perbedaan antara berteriak dan berbicara normal.
Stabilitas Busur
Sifat resistif terak busa membantu menstabilkan busur, yang mengurangi kedipan dan memudahkan kerja regulator elektroda.
Perlindungan Pelapis Tungku
Terak busa menutupi area dinding bagian atas, mengurangi erosi dan guncangan termal yang akan dialami oleh material tahan api jika tidak ada lapisan tersebut.
6.4 Peringatan Operasional
- Jangan biarkan busa terlalu tinggi, karena akan mendorong logam keluar dari tungku.
- Jangan biarkan kebasaannya terlalu tinggi atau terak menjadi terlalu kental sehingga tidak dapat berbusa dengan baik.
- Jangan biarkan FeO terlalu tinggi atau busa akan runtuh
- Sebelum menuangkan air, singkirkan sebagian busa agar Anda dapat melihat bak mandi dan memastikan Anda siap untuk menuang.
VII. Pengembangan Tombak Oksigen: Pengujian dan Simulasi
7.1 Mengapa Anda Menguji Tombak
Performa sebuah lance oksigen menentukan seberapa efisien tungku menggunakan oksigen, seberapa banyak pengadukan yang diterima oleh cairan tungku, dan berapa lama lance itu sendiri bertahan. Pengujian kondisi panas memungkinkan Anda untuk:
- Mengukur kedalaman penetrasi jet dan laju penyebaran
- Mengoptimalkan geometri nosel (diameter, sudut, susunan)
- Memvalidasi simulasi CFD
- Mengambil keputusan berdasarkan data mengenai pemilihan tombak dan parameter pengoperasian.
7.2 Simulasi CFD dalam Desain Tombak
Computational Fluid Dynamics (CFD) telah menjadi alat standar dalam pengembangan tombak oksigen. Apa yang dapat Anda simulasikan:
- Aliran dan pelemahan pancaran oksigen di lingkungan tungku
- Kedalaman penetrasi jet ke dalam bak lelehan
- Medan aliran dan medan suhu di dalam bak
- Reaksi karbon-oksigen dan perilaku gelembung CO
- Dinamika gelembung dalam formasi terak dan busa terak
Platform perangkat lunak umum: ANSYS Fluent, CFX, OpenFOAM, dan paket simulasi proses metalurgi khusus.
Nilai dari simulasi itu nyata: lebih sedikit percobaan fisik, desain tombak yang lebih optimal, dan kemampuan untuk memprediksi kinerja di berbagai kondisi operasi sebelum Anda memotong baja untuk perangkat keras tombak tersebut.
Ringkasan
Teknologi oksigen telah berkembang dari operasi manual dan tidak presisi menjadi sistem yang sangat canggih dan berperan penting dalam kinerja EAF (Electric Arc Furnace). Jet lance yang koheren, pembakaran pasca-pembakaran, dan kontrol terak busa bekerja bersama-sama — oksigen menghasilkan CO, lance mengantarkannya jauh ke dalam bak, pembakaran pasca-pembakaran memulihkan energi dari gas buang, dan terak busa menangkap panas busur.
Memanfaatkan sistem ini secara maksimal membutuhkan koordinasi: aliran oksigen, penambahan karbon, kimia terak, dan input daya semuanya saling berinteraksi. Bengkel yang memahami interaksi tersebut — dan menyesuaikannya dari satu proses pemanasan ke proses pemanasan berikutnya — adalah bengkel yang mampu mencapai waktu antar proses pemanasan yang singkat dan angka energi yang rendah yang membuat pembuatan baja EAF menjadi kompetitif.
