Pengolahan Logam Metalurgi

Pengolahan Logam Metalurgi
Pengolahan Logam (Metalurgi). Aplikasi pengetahuan dan teknologi dalam pengolahan bijih sampai menjadi logam dinamakan metalurgi. Proses ini melibatkan tahap pengolahan awal atau pemekatan, reduksi bijih logam menjadi logam bebas, dan pemurnian logam

Proses ekstrasi dan daur ulang

1. Pengolahan awal (pemekatan)
Bijih logam yang masih mengandung pengotor dihancurkan dan digiling hingga terbentuk partikel-partikel berukuran kecil. Material yang tidak diperlukan dikeluarkan dengan cara magnetik atau metode pengapungan (flotasi) hingga terbentuk bijih murni.

2. Pengeringan dan pembakaran
Bijih murni dikeringkan dan dilebur (direduksi). Proses reduksi dalam industri logam disebut peleburan (melting). Pada proses tersebut bijih murni direduksi dari oksidanya menjadi logam bebas.

3. Pemurnian
Logam yang diperoleh pada tahap pengeringan dan pembakaran masih mengandung pengotor sehingga perlu dilakukan pemurnian. Beberapa metode pemurnian di antaranya elektrolisis (nikel dan tembaga), distilasi (seng dan raksa), dan peleburan ulang (besi).

Pirometalurgi Besi
Sejumlah besar proses metalurgi menggunakan suhu tinggi untuk mengubah bijih logam menjadi logam bebas dengan cara reduksi. Penggunaan kalor untuk proses reduksi disebut pirometalurgi. Pirometalurgi diterapkan dalam pengolahan bijih besi. Reduksi besi oksida dilakukan dalam tanur sembur (blast furnace), yang merupakan reaktor kimia dan beroperasi secara terus-menerus (Gambar 4.10). Campuran material (bijih besi, kokas, dan kapur) dimasukkan ke dalam tanur melalui puncak tanur. Kokas berperan sebagai bahan bakar dan sebagai reduktor. Batu kapur berfungsi sebagai sumber oksida untuk mengikat pengotor yang bersifat asam. Udara panas yang mengandung oksigen disemburkan ke dalam tanur dari bagian bawah untuk membakar kokas. Di dalam tanur, oksigen bereaksi dengan kokas membentuk gas CO.

2C(s) + O2(g) → 2CO(g) ΔH = –221 kJ

Reaksinya melepaskan kalor hingga suhu tanur sekitar 2.300°C. Udara panas juga mengandung uap air yang turut masuk ke dalam tanur dan bereaksi dengan kokas membentuk gas CO dan gas H2.

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g) ΔH = +131 kJ

Reaksi kokas dan oksigen bersifat eksoterm, kalor yang dilepaskan dipakai untuk memanaskan tanur, sedangkan reaksi dengan uap air bersifat endoterm. Oleh karena itu, uap air berguna untuk mengendalikan suhu tanur agar tidak terlalu tinggi ( 1.900°C). Pada bagian atas tanur ( 1.000°C), bijih besi direduksi oleh gas CO dan H2 (hasil reaksi udara panas dan kokas) membentuk besi tuang. Persamaan reaksinya:

Fe3O4(s) + 4CO(g) → 3Fe(l) + 4CO2(g) ΔH = –15 kJ
Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(l) + 4H2O(g) ΔH = +150 kJ

Batu kapur yang ditambahkan ke dalam tanur, pada 1.000oC terurai menjadi kapur tohor. Kapur ini bekerja mereduksi pengotor yang ada dalam bijih besi, seperti pasir atau oksida fosfor.

CaCO3(s)⎯Δ⎯→CaO(l) + CO2(g)
CaO(l) + SiO2(l) →CaSiO3(l)
CaO(l) + P2O5(l) →Ca3(PO4)2(l)

Gas CO2 yang dihasilkan dari penguraian batu kapur pada bagian bawah tanur (sekitar 1.900°C) direduksi oleh kokas membentuk gas CO.

Persamaan reaksinya:
CO2(g) + C(s) → CO(g) ΔH = +173 kJ

Oleh karena bersifat endoterm, panas di sekitarnya diserap hingga mencapai suhu ± 1.500°C. Besi tuang hasil olahan berkumpul di bagian dasar tanur, bersama-sama terak (pengotor). Oleh karena terak lebih ringan dari besi tuang, terak mengapung di atas besi tuang dan mudah dipisahkan, juga dapat melindungi besi tuang dari oksidasi

Besi tuang dari tanur sembur dipindahkan ke tungku basic oksigen dijadikan baja karbon

a. Pembuatan Baja
Baja merupakan paduan (alloi) yang digolongkan sebagai baja karbon (kandungan karbon di atas 1,5%) yang mengandung logam lain, seperti Cr, Co, Mn, dan Mo. Sifat-sifat mekanik baja ditentukan oleh komposisi kimianya. Pengolahan besi dari bijihnya merupakan proses reduksi. Akan tetapi, pengubahan besi menjadi baja merupakan proses oksidasi untuk mengeluarkan pengotor. Oksidasi besi dilakukan dengan berbagai cara, tetapi dua cara umum yang biasa digunakan pada pembuatan baja adalah proses perapian terbuka (open hearth) dan proses essemer (basic oxygen).

1) Proses Bessemer

Skema reaktor Bessemer

Pada proses ini, besi cair hasil dari tanur sembur dimasukkan ke dalam reaktor silinder. Udara panas disemburkan dari lubang-lubang pipa untuk mengoksidasi karbon dan zat pengotor yang masih tersisa. Persamaannya:
C(s) + O2(g)⎯Δ⎯→CO2(g)
Si(l) + O2(g) ⎯Δ⎯→SiO2(l)
2Fe(l) + O2(g)⎯Δ⎯→2FeO(l)
Untuk mereduksi kembali FeO yang turut teroksidasi, ditambahkan logam mangan. Reaksi yang terjadi:

Mn(l) + FeO(l) ⎯Δ⎯→ (Fe–MnO)( l)

feromangan
Baja jenis feromangan mutunya kurang baik dan harganya relatif murah. Baja feromangan biasanya dipakai untuk membuat kerangka beton bangunan, pipa ledeng, dan kawat pagar.

2) Proses Perapian Terbuka

Pada proses perapian terbuka digunakan reaktor serupa mangkuk yang memuat sekitar 100–200 ton besi cair. Untuk menjaga besi tetap cair maka atap wadah dibentuk cembung agar dapat memantulkan kalor ke arah permukaan besi cair. Semburan udara panas mengandung oksigen dilewatkan melalui permukaan besi dan bereaksi dengan pengotor. Si dan Mn dioksidasi pertama kali menjadi terak, diikuti oleh oksidasi karbon menjadi CO yang menimbulkan agitasi dan busa di atas mangkuk.
Oksidasi termal karbon meningkatkan suhu dalam mangkuk yang menyebabkan fluks batu kapur terkalsinasi menghasilkan kapur tohor yang mengambang di atas lelehan. Kapur ini bergabung dengan fosfat, sulfat, silikat, dan pengotor lain. Kalsinasi adalah proses pemanasan di bawah titik leleh zat untuk menghilangkan pengotor.

b. Tahap Penghalusan Baja Karbon
Tahap penghalusan melibatkan oksidasi karbon dan pengotor secara terus-menerus. Pengotor seperti Mn, P, dan Si bereaksi dengan oksigen membentuk oksida, dan direaksikan kembali dengan suatu fluks. Jenis fluks bergantung pada pengotor. Jika pengotor adalah mangan (basa) maka fluks yang bersifat asam ditambahkan (silika).

MnO(s) + SiO2(s) ⎯Δ⎯→ MnSiO3(l)

Jika pengotor silikon atau fosfor (asam) maka fluks yang bersifat basa ditambahkan (CaO atau MgO):

SiO2(s) + MgO(s) ⎯Δ⎯→ MgSiO3(l)
P4O10(s) + 6CaO(s) ⎯Δ⎯→ 2Ca3(PO4)2(l)

Sebelum dikeluarkan dari tanur, logam lain, seperti Co, Cr, Ni, V, atau W dapat ditambahkan pada baja agar menghasilkan paduan yang memiliki sifat-sifat tertentu.

2. Metalurgi Tembaga
Langkah-langkah pada pengolahan tembaga tidak berbeda dengan pengolahan besi, melibatkan tiga tahap, yaitu pemekatan, proses reduksi, dan pemurnian.

a. Tahap Pemekatan
Proses pemekatan tembaga dari bijihnya dilakukan dengan cara pengapungan (flotasi). Pada proses ini, bijih dihancurkan menjadi serbuk, kemudian dicampurkan dengan zat pengapung, dan udara dialirkan hingga berbusa. Zat pengapung berupa surfaktan (memiliki ujung polar dan nonpolar), misalnya saponin. Partikel-partikel yang terbasahi oleh air seperti pengotor berada di dasar tanki. Adapun partikel yang tidak terbasahi menempel pada busa dan mengapung di atas permukaan tanki.

Proses pemekatan dengan cara Flotasi

b. Proses Reduksi
Setelah bijih tembaga dipekatkan (tembaga sulfida), kemudian direduksi dengan cara pemangggangan. Reaksi yang terjadi:

2CuS(s) + 3O2(g) → 2CuO(s) + 2SO2(g)

Pemanggangan bersifat eksoterm sehingga setelah pemanggangan dimulai tidak perlu ditambahkan panas lagi. Untuk memperoleh logam tembaga dilakukan dengan cara reduksi tembaga oksida dengan karbon sebagai reduktor:

CuO(s) + C(s) ⎯Δ⎯→ Cu(g) + CO(g)

Uap logam tembaga meninggalkan reaktor dan terkondensasi menjadi cair, yang selanjutnya memadat. Hidrogen dan logam aktif, seperti natrium, magnesium, dan aluminium juga digunakan sebagai reduktor jika karbon yang dipakai tidak cocok. Hasil reduksi pada tahap ini dinamakan tembaga blister yang kemurniannya mencapai 98%. Untuk kebutuhan penghantar listrik, tembaga harus dimurnikan melalui elektrolisis

c. Pemurnian
Pemurnian tembaga dilakukan melalui elektrolisis. Logam tembaga yang akan dimurnikan ditempatkan sebagai anode, dan lempeng tembaga murni ditempatkan sebagai katode, wadah elektrolisis diisi tembaga(II) sulfat.

Contoh Pengotor dalam Proses Pemurnian Tembaga
Logam nikel adalah salah satu pengotor pada bijih tembaga. Apa yang terjadi dengan nikel jika logam tembaga dimurnikan secara elektrolisis?
Jawab:
Untuk menjawab pertanyaan tersebut harus diketahui potensial elektrode standar.

Ni2+(aq) + 2e → Ni(s) Eo = –0,28 V
Cu2+(aq) + 2e → Cu(s) Eo = +0,34 V

Oleh karena potensial reduksi standar nikel lebih negatif dari tembaga, nikel tidak akan tereduksi. Nikel tetap berada dalam larutan, sedangkan Cu2+ direduksi pada katode.