chapter ii 2
DESCRIPTION
higyjTRANSCRIPT
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2. 1. Alumina dan aluminium
2.1.1 Aluminium
Aluminium adalah logam yang ringan dan cukup penting dalam kehidupan manusia.
Aluminium merupakan unsur kimia golongan IIIA dalam sistim periodik unsur,
dengan nomor atom 13 dan berat atom 26,98 gram per mol (sma). Di dalam udara
bebas aluminium mudah teroksidasi membentuk lapisan tipis oksida (Al2O3) yang
tahan terhadap korosi. Aluminium juga bersifat amfoter yang mampu bereaksi dengan
larutan asam maupun basa. (Anton J. Hartono, 1992)
Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai ketahanan korosi yang baik
dan hantaran listrik yang baik dan sifat sifat yang baik lainnya sebagai sifat logam.
(Surdia, T. 2005)
2.1.2 Sejarah Aluminium
Aluminium ditemukan kira-kira sekitar 160 tahun yang lalu dan mulai diproduksi
skala industri sekitar 90 tahun yang lalu. Berikut sejarah perkembangan tentang
penemuan aluminium :
I. Pada tahun 1782, seorang ilmuwan Prancis bernama Lavoiser telah menduga
bahwa aluminium merupakan logam yang terkandung di dalam alumina,
Universitas Sumatera Utara
II. Pada tahun 1807, ahli kimia Inggris bernama Humphrey Davy berhasil
memisahkan alumina secara elektrokimia logam dan yang diperoleh dari
pengujian tersebut adalah aluminium,
III. Pada tahun 1821, biji sumber aluminium ditemukan di Prancis Selatan,
tepatnya di kota Lesbaux, yang dinamakan bauksit,
IV. Pada tahun 1825, ahli kimia Denmark, Orsted berhasil memisahkan aluminium
murni dengan cara memanaskan aluminium chloride dengan kalium amalgam
dan kemudian memisahkan merkuri dengan cara destilasi,
V. Pada tahun 1886, mahasiswa Oberlin College di Ohio, Amerika Serikat
bernama Charles Martin Hall menemukan dengan cara melarutkan alumina
(Al2O3) dalam lelehan kliorit (Na3AlF6) pada temperatur 960
O
bentuk kotak yang dilapisi logam karbon dan kemudian melewatkan arus
listrik melalui ruang tersebut. Cara ini dikenal dengan proses Hall Heroult,
karena ini terjadi pada tahun yang sama dengan seorang Prancis yang bernama
Paul Heroult,
VI. Pada tahun 1888, ahli kimia Jerman Karlf Josef Bayern menemukan cara
memperoleh alumina dari bauksit secara pelarutan kimia. Sampai saat ini cara
Bayer masih digunakan untuk memproduksi alumina dari bauksit secara
industry dan disebut dengan proses Bayer. (Davis, Jr, 1993)
2.1.3. Bahan Baku Aluminium
Untuk memproduksi aluminium diperlukan :
A. Bahan baku utama
Universitas Sumatera UtaraC dalam
1. Alumina
Alumina diperoleh dari bauksit melalui beberapa proses Bayer.
Bauksit
merupakan bahan baku Al yang terdiri dari Al2O3 (aluminium oksida) dan
memiliki kemurnian yang berbeda seperti besi oksida, aluminium silica dan
titanium oksida. Aluminium oksida (Al2O3) atau alumina biasanya beruba
Kristal ion. Tetapi ion oksida (O-2) dipolarosasi oleh ion aluminium sehingga
sebagian ikatannya bersifat kovalen. Aluminium oksida meleleh pada 2035oC.
Zat ini tidak larut dalam air, stabil dan keras. Aluminium oksida adalah
amfoter. Zat ini melarut dengan lambat dalam asam encer maupun basa encer.
Al2O3 (s) + 6 H+ (aq) 2 Al3+(aq) + 3 H2O(l)
Al2O3 (s) + 2 OH- (aq) + 3 H2O 2 Al(OH)4-
2. Anoda
Anoda adalah elektroda bermuatan listrik positif. Jenis anoda yang dipakai
adalah jenis anoda prebaked, anoda yang digunakan di seksi reduksi dibuat di
gedung karbon dengan bahan kokas dan hard pitch.
3. Katoda
Katoda adalah elektroda bermuatan listrik negatif. Ditinjau dari bahan bakunya
dan prose pembuatannya, katoda dibagi atas 4 jenis, yaitu :
a. Blok katoda Amorphous, bahan bakunya antrasit, dipanggang pada suhu
1.200oC
b. Blok katoda semi graphitic, bahan bakunya grafit, dipanggang pada suhu
1.200oC
Universitas Sumatera Utara
c. Blok katoda semi graphitic, bahan bakunya yang mengalami proses
pemanasan sampai suhu 2.300oC
d. Blok katoda graphitic, bahan bakunya kokas mengalami proses grafitasi
suhu 3.000o
(Jody, B. J., dkk, 1992)
B. Bahan baku penunjang
a. Kriolit
Kriolit dapat mengandung CaF2 dan AlF3 yang dapat membentuk kriolit
Na3AlF6. Sifat-sifat kriolit adalah :
1) Konduktivitas listrik baik.
2) Memiliki berat jenis yang rendah.
3) Temperatur kristalisasi primer rendah.
4) Stabil dalam keadaan cair.
5) Dapat melarutkan alumina dalam jumlah besar.
Untuk memperbaiki sifat- sifat kriolit tersebut, bath biasanya ditambah
dengan beberapa bahan tambahan seperti fluorida, alkil metal, AlF3 dan CaF2.
b. Soda Abu (Na2CO3)
Soda abu berfungsi memperkuat struktur katoda dan dinding samping agar
sulit tererosi. Lapisan dinding samping dengan Na2CO3 dilakukan pada tahap
transisi untuk membantu proses pembentukan kerak samping. Selain
mencegah erosi oleh bath, soda abu berfungsi sebagai isolasi termal.
Universitas Sumatera Utara
c. Aluminium Florida (AlF3)
Aluminium florida berfungsi menjaga keasaman bath dan merupakan bahan
yang dituangkan secara manual jika kelebihan AlF3 kurang didalam bath.
Spesifikasi AlF3 yang digunakan oleh PT INALUM adalah:
Tabel 2.1. Spesifikasi AlF3
(PT Inalum, 2009)
Universitas Sumatera UtaraJenisUnitSpesifikasiAlF3%93 minimalSiO2%0,25 maksimalP2O5%0,02 maksimalFe2O3%0,07 maksimalMoisture (Water Content)%0,35 maksimaloLoss on Ignitation 300-1000 C%0,85 maksimalBulk densitygram/cc0,7 minimalParticle Size (Tyler Mesh)Typical+ 150 mesh%25-60+ 200 mesh%50-75+ 320 mesh%75 minimal
2.1.4. Kegunaan Aluminium
Dilihat dari segi kuantitas dan kualitas, kegunaan aluminium dapat mengatasi
kegunaan logam lain kecuali besi. Karena itu aluminium sangat penting dalam
kehidupan sehari hari dan berpengaruh terhadap perkembangan ekonomi dunia,
dikarenakan aluminium diprediksi akan menjadi komoditi ekspor dunia.
Aluminium murni mempunyai kekuatan tegangan yang rendah, tetapi mempunyai
kemampuan untuk membentuk alloy bersama dengan banyak unsur seperti tembaga,
seng, magnesium, mangan dan silikon. Pada saat ini hampir semua bahan yang
dianggap aluminium adalah sebenarnya sejenis alloy aluminium bukan aluminium
murni.
Apabila digabung secara proses termomekanikal, alloy aluminium menunjukkan
peningkatan kekuatan dari segi sifat mekanikal. Alloy aluminium membentuk
komponen penting dalam pesawat udara dan roket, ini dikarenakan kekuatan yang
meningkat.
Sebagian dari kegunaan kegunaan aluminium yaitu :
1) Pengankutan (kendaraan, kapal terbang, kendaraan landasan, kapal laut, dsb)
2) Pembungkus (tin aluminium, keranjang aluminium, dsb)
3) Perawatan air
4) Pembinaan (tingkap, pintu, dwai binaan, dsb)
5) Barangan pengguna tahan lama (perkakas, peralatan dapur, dsb)
Universitas Sumatera Utara
6) Talian penghantaran elektrik (berat pengalir aluminium adalah setengah dari berat
tembaga dengan kekonduksian yang sama dan lebih murah)
7) Jendela
8) Aluminium murni
9) Serbuk aluminium, yang mempunyai bentuk perak yang biasa digunakan dalam cat.
Serpihan aluminium juga dimasukkan dalam cat alas, terutama kayu cat.
2.1.5 Proses Elektrolisis Aluminium
Aluminium terutama masih sekedar menjadi bahan penelitian di laboratorium sampai
tahun 1886, ketika Charles Hall di Amerika Serikat (lulusan Oberlin College yang
berusia 21 tahun) dan Paul Heroult (berkebangsaan Perancis, berusia sama) secara
sendiri-sendiri menemukan proses yang efisien untuk memproduksikannya. Pada
tahun 1990-an produksi aluminium di seluruh dunia yang menggunakan proses Hall-
Heroult mencapai 1,5 107 ton metrik.
Proses Hall-Heroult melibatkan pengendapan aluminium secara katodik, dari lelehan
kriolit (Na3AlF6) yang mengandung Al2O3 terlarut, dalam sel elektrolisis. Setiap sel
terdiri dari kotak baja persegi panjang yang panjangnya sekitar 6 m, lebar 2 m, dan
tinggi 1 m, yang berfungsi sebagai katode, dan grafit pejal sebagai anode yang
mencuat melewati atap sel hingga ke bak lelehan kriolit. Arus yangh sangat besar
(50.000 sampai 100.000 A) dilewatkan dalam sel, dan sebanyak 100 sel seperti ini
disusun secara seri.
Lelehan kriolit, yang berdisosiasi sempurna menjadi ion-ion Na+ dan AlF63-,
merupakan pelarut yang baik untuk aluminium oksida, menghasilkan
distribusi
Universitas Sumatera Utara
kesetimbangan dari ion-ion seperti Al3+, AlF2+, . . . , AlF63-, dan O2- dalam elektrolit.
Kriolit meleleh pada suhu 1000C, tetapi titik lelehnya turun dengan adanya
aluminium oksida terlarut, sehingga suhu sel operasi hanya 950C. Dibandingkan
dengan titik leleh Al2O3 murni (2050C), suhu tersebut merupakan suhu yang rendah,
dan inilah sebabnya proses Hall-Heroult bias berhasil. Lelehan aluminium memiliki
kerapatan yang sedikit lebih besar daripada lelehennya pada suhu 950C sehingga
materi ini mengumpul di dasar sel, untuk selanjutnya disadap secara berkala. Oksigen
merupakan produk anode yang utama, tetapi zat ini bereaksi dengan electrode grafit
menghasilkan karbon dioksida. (David W. Oxtoby, 2003)
Untuk memperoleh aluminium murni mencakup empat tahap :
1. Penyiapan bauksit (pelumatan, pencucian, pengeringan, penggerusan)
2. Penjernihan bauksit menjadi tanah tawas murni (oksid aluminium Al2O3) melalui
cara Bayer
3. Penyerapan zat asam (reduksi) tanah tawas hingga menjadi aluminium mentah
melalui elektrolisa lebur dengan kliorit sebagai bahan pelarut (Na3AlF6)
4. Peleburan alih wujud menjadi aluminium murni (99,5 99,8 %).
(Karl Gruber, 1985)
Universitas Sumatera Utara
2.2 Alumina
Adapun pembagian dari alumina berdasarkan ukuran partikelnya adalah :
I. Alumina sandy ( - Al2O3)
Alumina sandy banyak ditemukan di Amerika, yang berbentuk serbuk yang
diproduksi pada pembakaran yang lebih rendah dari alumina floury. Alumina
sandy yang terbentuk digunakan pada tungku peleburan karena sifat dari
alumina tersebut yang bergerak bebas dan tidak dipengaruhi oleh gaya dari
luar.
II. Alumina floury ( Al2O3)
Alumina floury banyak ditemukan di Eropa, dimana alumina jenis ini
diperoleh melalui proses Bayer, selanjutnya diproses lagi untuk memperoleh
aluminium cair. Proses yang digunakan adalah Hall Heroult, prinsip yang
dipakai melalui reduksi alumina. Reduksi dilakukan secara elektrolisa terhadap
alumina yang dilarutkan dalam larutan elektrolit cair dan dialirkan arus listrik.
Dengan mengalirkan arus listrik tersebut pada kedua elektroda (anoda dan
katoda) maka akan terjadi proses elektrolisa, sehingga terbentuk endapan
aluminium cair pada katoda. (Grjotheim, 1998)
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2. Spesifikasi Alumina yang digunakan di PT INALUM
(PT Inalum, 2009)
Universitas Sumatera UtaraItemSatuanSpesifikasi0Loss on Ignition (300-1000 C)%1,00 maksimalSiO2%0,03 maksimalFe2O3%0,03 maksimalTiO2%0,005 maksimalNa2O%0,600 maksimalCaO%0,060 maksimalAl2O3%98,40 minimalSpesific Surface Area2M /g40-80Particle Size+ 100 mesh%12,0 maksimal+ 150 mesh%25 minimal- 325 mesh%12,0 maksimalAngle of RefuseDeg30-34
Al didapat dalam keadaan cair dengan elektrolisa, umumnya mencapai kemurnian
99,85% berat. Dengan mengelektrolisa kembali dapat dicapai kemurnian 99,99%,
yaitu dicapai bahan dengan angka sembilannya empat.
Tabel 2.3. Sifat-sifat fisik aluminium
Catatan : fcc : face centered cubic = kubus bersifat muka
Tabel di atas menunjukkan sifat-sifat fisik Al. Ketahanan korosi berubah sesuai
dengan kemurnian Al, yang pada umumnya untuk kemurnian 99,0% atau di atasnya
dapat dipergunakan di udara tahan dalam waktu bertahun-tahun.
Universitas Sumatera UtaraSifat sifatKemurnian Al (%)Sifat sifat99,996> 99,0oMassa jenis (20 C)Titik cairo oPanas jenis (cal/ g. C)(100 C)Hantaran listrik (%)oTahanan listrik koefisien temperatur (/ C)oKoefisien pemuaian (20-100 C)Jenis Kristal, konstanta kisi2,6989660,20,222664,940,00429-623,86 x 10fcc, a = 4,013 kX2,71653-6570,229759 (dianil)0,0115-623,5 x 10fcc, a = 4,04 kX
2. 3. Besi
Besi merupakan logam industri terpenting sudah dikenal sejak zaman purba. Besi
merupakan unsur terbanyak keempat dalam litosfer bumi (setelah oksigen, silicon,
aluminium). Kegunaan besi terpenting ialah pembuatan baja (alloy). Besi yang murni
adalah logam berwarna putih-perak, yang kukuh dan liat. Besi melebur pada
temperatur 1535oC. Zat-zat pencemar ini memegang peranan penting dalam kekuatan
struktur besi.
Sifat besi yang mudah mengalami korosi pada berbagai keadaan, sifat elektrokimia
besi menjadi bahan kajian sejak lama. Terlihat bahwa oksidasi lebih mudah terjadi
oelh adanya gugus yang mengendapkan produknya. Ion ferri mudah tereduksi ke
ferro, tetapi dalam keadaan alkali justru ferro berubah menjadi ferri. Agar Fe(OH)3
tidak mengendap, suasananya harus asam.
Reaksi besi dan oksidasi rumit karena didorong dengan adanya kelembaban. Produk
karatnya non stoikiometri dan sifatnya dapat protektif maupun tidak. Besi dapat
larut dalam asam mineral encer. Bila asam non oksidator (tidak ada udara) terbentuk
ferro sedangkan bila ada udara atau asam nitrat dan kromat memasifkan besi.
Ion ferro dan ferri dalam larutan mudah saling diubah dengan reaksi redoks ferro
hidroksida yang baru diendapkan berwarna putih dengan adanya udara menjadi hijau
atau hitam, kemudian membentuk ferri hidroksida merah coklat. Amoniak hanya
mengendapkan besi sebagian karena terbentuk kompleks amina.
Ion ferri biasanya merah coklat akibat bentukan kompleks, sedangkan ion ferrinya
sendiri tidak berwarna. Ferri mengkompleks dengan sianida. Besi merupakan logam
termurah karena sifat fisik menarik, mudah dielektroplating dari berbagai elektrolit,
Universitas Sumatera Utara
tetapi besi tidak bernilai dekoratif, tetap terkena korosi, ia hanya dipakai secara
terbatas termasuk electroforming pada cetakan karet, gelas, plastik, pada alloy
nikelnya dan sebagainya.
2.4. Silika
Silika terdapat luas di alam, seperti pasir, kuarsa, batu api. Kristal silika tidak
berwarna atau merupakan bubuk putih, bau dan tidak berasa, silica tidak larut dalam
air dan asam, kecuali hidrogen florida. Dan larut di dalam larutan alkali, dimana
akhirnya dipisahkan yang halus dan yang tidak terbentuk. Senyawa SiO2 adalah yang
paling melimpah dari senyawaan dalam kerak bumi.
Asal mula silika adalah dapat dibuat dari larutan silika (air kaca), dengan asam,
kemudian dicuci dan dengan pembakaran. Bunga api silica dibuat dari pasir, menguap
pada temperatur 3.000oC dengan menggunakan pancaran energy listrik. Bubuk silica
digunakan untuk pembuatan gelas, keramik, alat pengelasan, saringan air, mikroskop,
kertas, komponen dari beton pengisi kosmetik insektisida.
Silikon dan oksigen merupakan penyusun sebagian besar kerak bumi, dengan oksigen
meliputi 47% dan silikon 28% dari massanya. Ikatan silikon oksigen kuat dan bersifat
ionic parsial. Ikatan ini membentuk dasar untuk golongan mineral yang disebut silikat,
yang merupakan golongan terbesar dari batuan, lempung, pasir dan tanah pada kerak
bumi. Silikat menyediakan berbagai macam bahan bangunan seperti batu bata, semen,
beton dan kaca. (David W. Oxtoby, 2003)
2.5. Pengaruh Pengotor Besi dan Silika dalam Produk Aluminium
Aluminium batangan (ingot) yang diproduksi sangat ditentukan oleh unsur unsur
kimia yang terkadung di dalam aluminium itu sendiri. Aluminium yang dihasilkan
Universitas Sumatera Utara
masih banyak mengandung zat-zat pengotor dalam jumlah yang kecil, seperti besi
(Fe), silikon (Si), dan pengotor lainnya. Ini dipengaruhi atas bahan baku yang
digunakan untuk menghasilkan aluminium. Disamping adanya pengaruh bahan baku,
pengotor besi dan silikon juga berasal dari prosesnya sendiri, dimana besi dan silikon
dalam aluminium yang dihasilkan dalam sel elektrolisa (pot), dapat bertambah apabila
kondisi di dalam pot kurang baik, sehingga ada pengikisan atau ikut larutnya dinding
pot pada saat proses elektrolisa berlangsung.
Jika kadar besi dalam aluminium cair yang akan dicetak masih terlalu tinggi, maka
aluminium yang dihasilkan akan lebih mudah terkorosi dan mudah berubah menjadi
warna kuning. Sebaliknya, jika kadar silicon di dalam aluminium terlalu tinggi, maka
akan menyebabkan aluminium batangan (ingot) yang dihasilkan akan menjadi keras,
rapuh dan susah ditempah. Itulah beberapa pengaruh ketika kadar besi dan silikon di
dalam aluminium berlebih atau tidak sesuai dengan standar yang ada.
2.6. Faktor Faktor yang Mempengaruhi Kualitas Aluminium Batangan (Ingot)
dan Cara Penanggulangannya
Faktor yang mempengaruhi kualitas ingot antara lain adalah :
1. Kadar Fe dan Si
Kadar Fe dan Si dapat berpengaruh terhadap kualitas produk, karena
merupakan faktor utama penentu mutu grade yang dihasilkan. Kemurnian dari
aluminium ingot yang dihasilkan dilihat dari kadar besi (Fe) dan silikon (Si).
Maka kadar zat pengotor yang terkandung dalam aluminium cair harus dijaga
sesuai dengan grade produk yang diinginkan. Apabila kadar Fe dan Si masih
banyak terkandung di dalam aluminium maka haruslah dikendalikan
Universitas Sumatera Utara
2. Flux Treatment
Pemberian flux pada aluminium cair di furnace (dapur) harus sesuai dengan
jumlah molten aluminium sehingga pemisahan oksida oksida yang
terkandung dalam molten tersebut dapat terpisah secara sempurna, agar
aluminium ingot yang dihasilkan lebih murni
2.7. Standar Pengendalian Grade Produk
Pengendalian grade produk dilakukan agar ada kesesuaian antara kadar Fe dan Si
terhadap produk, sehingga produk yang dihasilkan bisa mencapai target yang telah
ditetapkan di PT INALUM. Standar pengendalian grade produk berpatokan pada
Quality Standard of Aluminium Ingot (QSAI). QSAI merupakan variabel variabel
yang ditetapkan agar produk yang dihasilkan tidak menyimpang dari jadwal operasi
pencetakan.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4. Standar Kualitas Aluminium Batangan (Ingot)
Catatan : min = minimal : maks = maksimal
Aluminium (ingot) yang dihasilkan PT INALUM sekarang ini adalah grade S1 B
dan G1, yaitu dengan kemurnian aluminium, S1 B 99,90 % dan G1 99,70 %.
Apabila masih tetap tidak sesuai dengan standarisasi di PT INALUM, maka dapat
dilakukan dengan beberapa cara :
a. Pengadukan ulang
Pengadukan ulang aluminium cair (molten), yang bertujuan agar molten dapat
bercampur secara homogen. Setelah dilakukan pengadukan, lalu dilakukan
Universitas Sumatera UtaraGrade/ TingkatKomposisi Kimia (%)PT InalumClassAlFeSiS1A-99,92 min0,04 maks0,04 maksS1B-99,90 min0,06 maks0,04 maksS1Special class 199,90 min0,07 maks0,05 maksS2Special class 299,85 min0,12 maks0,08 maksG1Class 199,70 min0,20 maks0,15 maksG2Class 299,50 min0,40 maks0,25 maksG3Class 399,00 min0,80 maks0,50 maks
pengambilan sampel dan dibawa ke Smelter Quality Assurance (SQA) untuk dianalisa
kembali. Apabila hasil dari Test Product Metal (TPM) menyatakan kadar Fe dan Si di
dalam molten masih tinggi dari standar yang diinginkan, maka dilakukan pengurangan
atau penambahan molten.
b. Pengurangan dan penambahan aluminium cair (molten)
Pengurangan molten yang berkadar Fe dan Si yang tinggi kemudian ditambahkan
molten yang memiliki kadar Fe dan Si yang rendah. Sehingga akan dicapai
keseimbangan di antara keduanya. Apabila pengurangan dan penambahan molten
tidak dapat menurunkan kadar Fe dan Si sesuai dengan yang diinginkan, maka dapat
dilakukan cara berikutnya, yaitu pencetakan sebagian molten.
c. Pencetakan sebagian molten
Dicetak sebagian molten yang berkadar Fe dan Si tinggi sebanyak 1/3 bagian dari
banyaknya molten yang tersedia di dapur. Jika 1/3 bagian yang telah dicetak, maka
molten yang tersisa di dalam dapur ditambahkan molten yang berkadar Fe dan Si yang
rendah. Apabila masih tidak dapat memenuhi standar yang ada, maka dilakukan
perubahan grade. Misalnya dari grade S1 B menjadi grade G1.
Dalam pengambilan sampel produk dapat dilakukan dalam 3 tahap, yaitu :
-
-
Sampel yang pertama diambil pada awal pencetakan , yaitu setelah mencetak
30 ton.
Sampel yang kedua diambil pada pertengahan pencetakan, yaitu setelah
mencetak 15 ton.
- Sampel ketiga diambil pada akhir pencetakan, yaitu 3 ton terakhir.
Universitas Sumatera Utara