Metalurgi Ekstraktif [PDF]

Citation preview

RANGKUMAN PENGANTAR METALURGI EKSTRAKTIF Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Metalurgi Umum



Disusun oleh:



CECEP PANJITIRTA 10070112061



PRODI TEKNIK PERTAMBANGAN



FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS ISLAM BANDUNG 1437 H / 2016 M PENGANTAR METALURGI EKSTRAKTIF



Pendahuluan Keahlian dalam mengekstraksi logam dari bijihnya telah berlang- sung sejak awal peradaban raanusia. Logam pertama yang digunakan manusia adalah emas dan tembaga, yang ditemukan secara alamiah dalam bentuk logam. Sekitar 4000 tahun sebelum masehi, manusia telah mempelajari cara menghasilkan tembaga dan perunggu dengan melebur bijih tembaga dan timah dalam unggun arang kayu. Sepan- jang sejarah kemanusiaan proses metalurgi ekstraksi terus berkem- bang secara coba dan ralat (trial and error ). Pengetahuan tentang peleburan atau penempaan diturunkan dari bapak ke anak. Perkembangan baru kadang-kadang merupakan hasil impian yang cemerlang, tetapi lebih sering merupakan suatu hasil kebetulan. Seorang pengunjung pada pabrik metalurgi yang modern akan terkesan dengan banyaknya operasi yang kompleks. Khususnya pada bidang metalurgi nirbesi (non-ferrous ) tahap operasinya sangat bervariasi dari satu logam ke logam lainnya, bahkan untuk menghasilkan logam yang samapun ditemukan berbagai jenis pabrik yang berbeda. Agar dapat memahami sedemikian banyaknya proses-proses metalurgi yang berbeda perlu diketahui sejumlah kecil prinsip dasar dan sedikit banyak tentang bijih.



1.



Bijih Secara umum bijih didefinisikan sebagai batuan yang dapat ditam- bang



secara ekonomis untuk dijadikan bahan baku dalam memproduksi logam. Aspek ekonomi merupakan hal yang sangat penting, yang membatasi antara bijih dan batuan yang tidak berharga, tergantung pada teknologi yang dimiliki dan harga pasaran dari logam terse- but. Lebih dari seratus tahun yang lalu bijih tembaga harus mengandung sedikitnya 5% tembaga agar dapat diterima sebagai bijih.



Sekarang, dengan semakin majunya teknologi, batuan dengan kandungan 0,5% tembaga dapat ditambang dan diproses secara ekonomis walaupun secara relatif terhadap harga komoditas logam lainnya, harga logam tembaga adalah menurun. Pada masa yang akan datang dapatlah kita harapkan bahwa batuan lainnya yang sekarang dinilai tidak berharga, seperti aluminium silikat atau bintil laut-dalam, akan menjadi bijih untuk menghasilkan aluminium, tembaga, nikel, dan kobal. 



Jenis Bijih Bijih sulfida mewakili kelompok yang besar dan penting. Yang terpenting



adalah bijih tembaga, sering terdiri dari campuran sulfida tembaga dan besi. Logam lainnya yang diperoleh dari bijih sulfida adalah nikel, seng, timbel, air raksa, dan molibden. Walaupun bijih sulfida sering mengandung besi, misalnya sebagai pirit, FeSg, hanya suatu pengecualian apabila digunakan sebagai sumber bahan besi. Bijih sulfida sering mengandung metaloid seperti arsen, antimon, selenium, dan telerium. Tidaklah dikesam- pingkan secara ekonomis bahwa dalam kenyataannya bijih sulfida sering mengandung sejumlah kecil ataupun besar logam perak, emas, dan platina. Logam mulia ini dalam keadaan tertentu terdapat secara alami dalam bentuk logam, misalnya sebagai bijih alam (native). Kelompok penting lainnya adalah jenis halida, seperti batuan garam penghasil natrium, dan garam magnesium klorida yang bersa- ma-sama dengan air laut menjadi sumber magnesium. Kebanyakan dari bijih terkristalisasi mengandung sejumlah mineral yang berbeda, misalnya kristal dengan komposisi tertentu. Artinya pada bijih sulfida tertentu dapat mengandung kalkopirit, CuFeSo> bersama dengan sfalerit, (Zn,Fe)S, dan galena, PbS, demikian pula pirit dan silikat ataupun mineral pengotor lainnya. Bijih demi¬kian biasanya pertama kali dilakukan pemisahan terhadap mineral- mineral tersebut, menghasilkan secara terpisah konsentrat temba¬ga, seng, dan timbel, dan juga membuang mineral pengotor yang tidak berharga. Perlakuan ini disebut sebagai pengolahan bahan galian (ore-dressing) yang akan dibicarakan secara terpisah, sedangkan yang dikemukakan di sini adalah pembicaraan singkat dan umum tentang proses-proses menghasilkan logam.



2.



Bagan Alir Proses atau kombinasi berbagai proses yang digunakan dalam suatu



pabrik dapat digambarkan secara mudah dengan suatu bagan alir. Sebagai contoh adalah bagan alir yang tercantum pada Gambar-1 yang menggambarkan produksi tembaga dari bijih sulfida tembaga berkadar rendah. Apabila diperhatikan bagan alir dari berbagai peleburan tembaga yang berbeda umumnya akan terlihat beberapa variasi. Hal ini boleh jadi akibat dari perbedaanperbedaan komposisi bijih, pasokan energi lokal berupa bahan bakar dan tenaga listrik, permintaan akan bentuk produk akhir, dan ukuran dari pabrik itu sendiri. Apabila kita perhatikan bagan alir untuk menghasilkan baja, seng, atau timbel akan kita jumpai langkah-langkah yang sama seperti pada memproduksi tembaga: pemanggangan juga digunakan pada proses produksi seng dan timbel, operasi peleburan dipakai untuk menghasilkan hampir semua jenis logam, penghembusan dalam konverter dilaksanakan dalam industri baja, dst. Dengan demikian memungkin- kan terbentuknya beragam bagan alir melalui kombinasi beberapa langkah atau tahapan tunggal yang berbeda. Sebagai padanan dengan istilah yang digunakan dalam bidang teknologi kimia, langkah- langkah ini kita sebut "Unit Proses" atau "Unit Operasi". Sangat disayangkan bahwa belum tercapai kesepakatan terhadap pemakaian kedua istilah tersebut. Melalui "Unit Operasi" dipahami sebagai langkah yang berciri dengan kegiatan fisik, seperti halnya dengan peremukan, pengayakan, dan transportasi. Sedangkan "Unit Proses" merupakan langkah yang dicirikan oleh adanya reaksi kimia tertentu. Pemanggangan bijih sulfida atau reduksi dengan gas terhadap bijih oksida dapat disebut sebagai unit proses. Dalam kenya- taannya akan terdapat banyak hal yang berada dalam perbatasan kedua sebutan tersebut, dan ada pula tahapan yang sama secara fisik tetapi berbeda dari kimianya atau sebaliknya. Sebagai contoh sebuah tanur tiup dapat digunakan untuk mereduksi oksida, tetapi dapat juga dipakai untuk mengoksidasi sulfida. Sebuah retort dapat digunakan untuk pengkokasan batu bara ataupun untuk mereduksi oksida seng, demikian pula sebuah sel elektrolitis dapat dipakai untuk reduksi elektrolitis maupun untuk pemurnian elektrolitis.



Cu cathodes (99.9+ % Cu) Usually remelted



Anode mud for recovery of noble metals



Gambar-l Bagan alir khas untuk memproduksi tembaga dari bijih tembaga sulfida kadar rendah.



Walaupun dengan definisi yang kurang jelas antara unit proses dan unit operasi seperti yang dikemukakan di atas, penggolongan dalam bidang metalurgi ekstraktif akan lebih sulit bila dibandingkan dengan di bidang teknologi kimia. Klasifikasi yang dapat dilaku- kan adalah sebagai berikut. 1.



Berdasarkan fase yang terlibat a. Gas - padatan. Contoh: pemanggangan, reduksi dengan gas. b. Gas - cair. Contoh: penghembusan Bessemer, distilasi. c. Cair - cair. Contoh: reaksi terak-logam.



d. Padatan - cair. Contoh: likuasi, pelindian, dan presipi tasi. 2.



Berdasarkan alat a. Unggun tetap. Contoh: sintering, pelindian perkolasi. b. Unggun terfluidakan. Contoh: pemanggangan terfluidakan dan reduksi. c. Tanur tegak. Contoh: tanur tiup besi, kiln kapur. d. Kiln putar. Contoh: pengeringan dan kalsinasi. e. Retort. Contoh: dapur kokas, produksi seng secara karbo- termis. f.



Tanur pantul. Contoh: peleburan matte, pembuatan baja open-hearth.



g. Tanur listrik. Contoh: peleburan matte dan pembuatan baja. h. Sel elektrolisis garam lebur. Contoh: produksi dan pemur- nian aluminium. i.



Sel elektrolisis larutan encer. Contoh: reduksi dan pemur- nian elektrolitik.



3.



Berdasarkan reaksi kimia a. Oksidasi.



Contoh:



pemanggangan,



sintering,



penghembusan



Bessemer. b. Reduksi. Contoh: pembuatan besi, produksi seng secara karbotermis. c. Reaksi terak-logam. Contoh: pembuatan baja, peleburan matte. d. Klorinasi. Contoh: produksi titanium tetraklorida. e. Reduksi elektrolitik. Contoh: elektrolitik seng, produksi aluminium. f.



Pemurnian elektrolitik. Contoh: pemurnian tembaga dan nikel.



Proses lainnya dapat ditambahkan pada daftar yang tertera di atas.



3.



Ciri-ciri Metalurgi Ekstraktif Hasil kombinasi terakhir dari berbagai unit proses menjadi suatu bagan



alir yang lengkap pada dasarnya tergantung pada pertimban- gan ekonomis: biaya bahan baku dan keadaan pasar. Sering sekali ditemukan bahwa logam yang sama dihasilkan melalui metode yang berlainan. Hal ini tampak pada Gambar-2 dan Gambar-3 untuk menghasilkan besi(baja) dan seng. Seng dapat dihasilkan dari bijih sulfida seng, baik melalui proses karbotermis (pemanggangan, pensinteran, dan reduksi) maupun secara hidrometalurgi (pemanggangan, pelindian, dan elektrolisis). Pemilihannya tergantung pada pertama biaya bahan bakar relatif terhadap listrik, kedua terhadap keadaan pasar. Seng hasil proses



karbotermis mengandung pengotor seperti timbel, arsen, dsb, umumnya digunakan sebagai pembuatan kuningan dan juga untuk tujuan galvanisasi. Dalam hal ini keberadaan pengotor tidak terlalu mengganggu dan dapat ditoleransi. Seng produksi elektrolisis dipakai dalam pembuatan paduan seng tertentu yang mengutamakan jumlah pengotor yang rendah. Karbotermis seng dapat juga memenuhi persyaratan industri paduan apabila telah dimurnikan kembali secara redisti- lasi, yang berarti menambah ongkos bahan bakar. Iron ore



Gambar-2 Bagan alir untuk pembuatan besi dan baja. Sebelah kiri : open hearth Sebelah kanan: pembuatan baja pneumatik



Zinc sulfide concentrate



Electrolytic zinc (high pury)



Gambar-3 Bagan alir untuk memproduksi seng dari konsentrat sulfida seng. Sebelah kiri : reduksi karbotermis Sebelah kanan: pelindian dan elektrolisis



Daur ulang dari produk antara, terak, dsb, menuju ke tahap sebelummya. Hal ini dilakukan untuk memperoleh kembali sebanyak mungkin kandungan berharganya. Misalnya pada bagan alir tembaga (Gambar-1), terak dari konverter Bessemer dan dari tanur pemur- nian (fire-refining) semuanya dikembalikan ke tahap peleburan matte. Di sini kandungan tembaga dalam terak diperoleh kembali, dan hanya terak dari tahap peleburan matte yang dibuang. Terak ini mengandung hampir seluruhnya pengotor dan sesedikit mungkin logam tembaga yang berharga. Proses daur ulang tidak selalu dapat diterapkan pada semua tahap. Dalam pembuatan besi dan baja (Gambar-2) misalnya, kemungkinan dilakukan pengembalian terak ke dalam tanur tiup guna memperoleh kembali kandungan besi dan mangan, dapat dilaksanakan. Hal ini dibenarkan apabila bijihnya bebas dari kandungan fosfor. Sean- dainya di dalam bijih itu terdapat fosfor, maka fosfor tersebut akan tereduksi dalam tanur tiup dan masuk ke dalam besi wantah. Selanjutnya, dalam proses pembuatan baja, fosfor dioksidasi dan masuk ke dalam terak. Bila terak ini dikembalikan ke dalam tanur tiup maka fosfornya akan terakumulasi dalam suatu siklus tertutup.



4.



Unit Pengukuran Bagian selanjutnya dari judul pembicaraan ini adalah mengarah pada



ketentuan umum yang dipakai untuk mengevaluasi secara kuan- titatif terhadap proses-proses metalurgi.



Salah satu perbedaan antara seni dan ilmu



pengetahuan dalam metalurgi adalah bahwa pada yang terakhir disebut, mencoba untuk menyatakan fenomena dalam bentuk yang dapat dinilai secara kuantitatif: berdasarkan pengukuran dan perhitungan. Untuk itu diperlukan suatu sistem unit pengukuran yang sudah dikenal. Memang diakui bahwa pemilihan unit pengukuran tidak dipersoalkan selama digunakan secara kon- sisten. Sistem unit tertentu dapat lebih tepat dipakai dibanding- kan dengan sistem lainnya, akan tetapi dengan ditetapkannya sistem SI (Systeme Internationale d’Unites) secara menyeluruh oleh negara-negara industri, maka sistem inilah yang selanjutnya dipakai di sini. 



Unit Pengukuran Panjang dan Massa Unit dasar dalam sistem SI adalah meter (m) dan kilogram (kg). Untuk massa yang lebih besar digunakan metrik ton (1000 kg), ditulis ton, sedangkan untuk massa yang lebih kecil digunakan gram (10“^ kg). Dalam ilmu kimia massa sering dinyatakan oleh juralah mol dari berbagai unsur. Satu mol adalah sama dengan jumlah gram unsur tertentu yang ditunjukkan oleh berat atom atau molekulnya. Misalnya untuk besi, satu mol sama dengan 55,84 gram, dan satu kilogram besi sama dengan 17,9 mol. Kadang-kadang suatu unsur dapat dinyatakan dalam formula yang berbeda. Seperti oksigen dapat dinyatakan dengan simbol 0, dengan berat atom 16, atau dengan simbol dengan berat molekul 32. Satu kilogram oksigen adalah sama dengan 62,5 mol 0 atau 31,25 mol O2•







Unit Gaya, Tekanan, dan Energi Unit yang digunakan untuk mengukur gaya adalah newton (N), merupakan besarnya gaya yang diberikan oleh massa seberat satu kilogram dengan percepatan satu meter per detik setiap detik. Mengin- gat besarnya percepatan gravitasi bumi adalah sekitar 9,81 m/detik^ berarti berat satu kilogram massa di Bumi sekitar 9,81 N, sedangkan di Bulan akan lebih kecil dan di Jupiter nilainya



lebih besar.9 Unit pengukuran untuk tekanan adalah pascal (= 1 N/m ). Bila dibandingkan dengan tekanan atmosfjtr nilai ini sangat kecil, oleh karena itu unit yang lazim dipakai adalah kilopascal (= 10° Pa) atau bar (= 10° Pa). Tekanan atmosfjtr (1 atm) adalah sama dengan 1,013 bar. Untuk perhitungan termodinamika kimia akan muncul masalah karena semua data termodinamika dibuat berdasarkan tekanan atmosfir pada kondisi standar, dengan demikian semua



perhitungan



tekanan dinyatakan dalam



atmosfCr. Kenyataannya



perhitungan tekanan tersebut dapat dinyatakan tanpa dimensi, mengingat semua nilainya dibuat relatif terhadap kondisi standar yaitu 1,013 x 105 Pa.







Unit Pengukuran Suhu Kita bedakan antara skala suhu dan unit suhu. Skala suhu menyatakan bagaimana hubungan antara tingkat unit suhu tertentu dibeda- kan dengan tingkat unit suhu lainnya. Dengan demikian perlu diperkenalkan suatu skala suhu untuk membandingkan perbedaan suhu antara, misalnya, titik lebur dan titik didih air dengan perbedaan suhu antara titik lebur dan titik didih dari seng. Skala suhu termodinamika, yang dipakai sekarang, diturunkan dari persa- maan keadaan untuk gas ideal, menyatakan bahwa suhu (mutlak) termodinamika didefinisikan melalui hubungan T = PVm/R. Di sini R



Table -1 Conversion factors for units of energy (heat and work)



Units



joule (abs) = W-s = N•m



1 joule (abs) = 1 1 W-s = 1N•m= 1 calorie (thermochem.) = 4.184



calorie (thermochem .)



kWh



liter-atm



kg (force) • m



ft lb (force)



Btu



0.2390



2.778 x 10"7



9.869 x 10~3



01020



0.7376



9.478 x 10"4



1



1.162 x 10"6



4.131 x 10“2



0.4269



3.086



3.966 x 10"3



1 kWh =



3.600 x 106



8.604 x 10s



1



3.553 x 104



3.671 x 10s



2.655 x 106



3412



1 liter-atm =



101.33



24.22



2.815 x 10“5



1



10.33



74.74



9.607 x 10-2



1 kg (force) • m = 9.807



2.344



2.724 x 10~6



9.678 x 10“2



1



7.233



9.295 x 10"3



1 ft • lb (force) = 1.356



0.3240



3.766 x 10"7



1.338 x 10"2



0.1383



1



1.285 x 10~3



1 Btu =



252.2



2.931 x 10~4



10.41



107.6



778.2



1



1055



T



Note: Unfortunately two different joules (the absolute and the international joule) as well as two different calories (the thermochemical and the International Table calorie) have been defined. The differences between these two sets are less than 0.1 percent and do not significantly affect the above table, which is based on the former set of units.



merupakan konstanta, sedangkan PVm nilai pembatas hasil perkalian tekanan dan volume molar dari gas pada saat tekanan mendekati nol. Unit suhu tergantung pada harga numerik untuk konstanta R, Untuk unit Kelvin konstanta ini dipilih sedemikian hingga perbe- daan antara titik lebur normal dan titik didih air sama dengan 100 unit (derajat). Keadaan ini memberikan R dengan harga numerik 0,082 liter-atm/(K.mol) = 8,314 J/(K/mol) dan suhu untuk titik beku air adalah 273,16 K. Dalam praktek sehari-hari suhu biasanya dinyatakan dalam skala Celsius. Skala unitnya sama dengan skala Kelvin, tetapi titik nolnya dipilih pada titik leleh air. Ini menjadikan titik didih air tepat 100 ‘ C, dan secara umum: “C = K - 273,16.







Gas dan Komposisi Gas Apabila jumlah dan konsentrasi untuk padatan dan cairan lazimnya dinyatakan dalam massa dan persen berat, untuk gas digunakan cara yang berbeda. Kebanyakan gas dalam kondisi umum akan mengikuti gas ideal, yaitu: pada suhu dan tekanan tertentu, volume gas akan sebanding dengan jumlah molnya. Jumlah gas tersebut dengan demi- kian dapat dinyatakan oleh volumenya pada suhu dan tekanan yang standar. Sangat umum digunakan adalah 0 *C dan tekanan 1 atmos- f&r, dimana satu meter kubik gas mengandung 1000722,4 = 44,6 mol, dan disebut sebagai satu meter kubik normal (Nm"3) atau in'3 (STP). Dengan menggunakan hukum gas ideal, volume pada suhu dan tekanan berapa saja dapat dihitung.



5.



Stoikhiometri Dalam perhitungan kimia dan metalurgi sering dibutuhkan untuk



menghitung jumlah relatif dari reaktan yang diperlukan dalam reaksi tertentu, demikian pula jumlah produknya. Perhitungan stoikhiometrik dapat dilakukan dengan berbagai cara dan setiap orang, berdasarkan pengalaman, akan menemukan metode- nya sendiri. Oleh karena itu, prosedur berikut ini bukan merupa- kan satu-satunya jalan untuk memecahkan perhitungan, akan tetapi merupakan jalan yang telah terbukti berguna dan memberikan sedi- kit peluang untuk melakukan



kesalahan. Sebagai contoh yang baik apabila diperhatikan pembakaran gas metan dengan udara untuk menghasilkan karbon dioksida dan uap air menurut reaksi: CH4(g) + 202 = C02 + 2H20(g) Selanjutnya dapat diikuti langkah berikut: 1. Pilih sebagai dasar sejumlah tertentu reaktan. Dapat berupa satu mol, satu kilogram, satu ton, atau sejumlah apa saja. 2.



Hitung jumlah mol dari reaktan dalam pilihan dasar hitungan. 3. Dari persamaan reaksi, hitung jumlah mol reaktan lainnya dan jumlah mol produk. 4. Konversikan jumlah mol reaktan dan produk ke dalam unit yang cocok, berat atau volume.



5. 6.



Hitung komposisi dari produk dalam unit yang tepat.



Balansi Material Bedakan antara balansi material dan perhitungan umpan. Pada



perhitungan umpan, dihitung jumlah bahan baku yang diperlukan. Untuk memperolehnya diperlukan pengetahuan tentang kesetimbangan kimia dan kinetika, reaksi bahang dan kehilangan bahang, yang akan dibicarakan pada bab selanjutnya. Balansi material, merupa- kan bentuk pembukuan dari suatu proses yang sedang berjalan. Persamaan dasar yang dipakai dalam balansi material adalah hukum konservasi massa.