pertemuan ke 4

METALLURGICAL ENGINEERING

“PENGOLAHAN ALUMINA”

Teknik Metalurgi adalah bidang ilmu keteknikan yang membahas tentang proses pengolahan mineral (termasuk pengolahan batubara), proses ekstraksi logam dan pembuatan paduan, hubungan perilaku sifat mekanik logam dengan strukturnya, proses penguatan logam serta fenomena-fenomena kegagalan dan degradasi logam. Sedangkan Teknik Material adalah bidang ilmu keteknikan yang membahas tentang sifat-sifat bahan dan hubungan antara struktur bahan dan sifatnya serta mempelajari tentang desain berbagai jenis material (logam, plastik, keramik, komposit) untuk aplikasi tertentu. Cakupan bidang ilmu yang diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari pada program studi ini sangat luas. Mulai dari badan dan mesin mobil, badan pesawat, plastik kemasan, alat komunikasi, keramik insulator, filament x-ray yang terbuat dari metallic powder hingga material tercanggih yang ada saat ini seperti titanium dan fiber composites yang digunakan pada pesawat luar angkasa, ginjal buatan, body implants dan superkonduktor, dan lain-lain. Lingkup ilmu Teknik Metalurgi begitu luas, dimulai dari pengolahan mineral (mineral dressing), ekstraksi logam dan pemurniannya, perekayasaan sifat fisik logam (physical metallurgy), proses produksi logam (mechanichal metallurgy), teknologi perancangan dan pengoperasian sistem-sistem metalurgi hingga fenomena kegagalan struktur logam akibat beban mekanik dan degradasi logam akibat berinteraksi dengan lingkungannya termasuk pengendaliannya, serta teknologi daur ulang. Sedangkan lingkup ilmu Teknik Material adalah mengenai teknik proses atau fabrikasi (pengecoran, pengerolan, pengelasan, dan lain-lain), teknik analisa, kalorimetri, mikroskopi optik dan elektron, dan lain-lain. Analisa estimasi pembiayaan dalam penambangan atau produksi material untuk industri tambang yang dilakukan (output and income) adalah bidang fokus orang-orang material.

Dalam setiap perencanaan, pemilihan komponen material merupakan faktor utama yang harus diperhatikan. Karena sebelum merencanakan terlebih dahulu diperhatikan dan diketahui jenis dan sifat bahan yang akan digunakan, misalnya tahan terhadap korosi, tahan terhadap keausan, keuletan dan lain-lain. Adapun tujuan pemilihan material agar bahan yang digunakan untuk pembuatan komponen dapat ditekan seefisien mungkin di dalam penggunaannya dan selalu berdasarkan pada dasar kekuatan dan sumber pengadaannya. Supaya material dapat memenuhi kriteria yang diharapkan, juga perlu diperhitungkan adanya beban yang terjadi pada material tersebut.

Hal-hal yang harus diperhatikan dalam pemilihan material adalah sebagai berikut:

1.    Efisiensi Bahan

Dengan memegang prinsip ekonomi dan berlandaskan pada perhitungan-perhitungan yang memadai, maka di harapkan biaya produksi pada tiap-tiap unit sekecil mungkin. Hal ini dimaksudkan agar hasil-hasil produksi dapat bersaing dipasaran terhadap prduk-produk lain dengan spesifikasi yang sama.

2.   Bahan Mudah Didapat

Dalam perencanaan suatu produk, apakah bahan yang digunakan mudah didapat atau tidak. Walaupun bahan yang direncanakan sudah cukup baik tetapi tidak didukung oleh persediaan dipasaran , maka perencanaan akan mengalami kesulitan atau masalah dikemudian hari karena hambatan bahan baku tersebut. Untuk itu harus terlebih dahulu mengetahui apakah bahan yang akan digunakan itu mempunyai komponen pengganti tersedia dipasaran.

3.    Spesifikasi Bahan Yang Dipilih

Pada bagian ini penempatan bahan harus sesuai dengan fungsi dan kegunaannya sehingga tidak terjadi adanya beban yang berlebihan pada bahan yanag tidak mampu menerima beban tersebut. Dengan demikian pada perencanaan bahan yang akan digunakan harus sesuai dengan fungsi yang berbeda antara bagaian satu dengan bagian yang lain, dimana fungsi dari masing-masing bagian tersebut saling mempengaruhi antara bagian yang satu dengan bagian yang lainnya.

4.   Kekuatan Bahan

Dalam hal ini untuk menentukan bahan yang akan digunakan haruslah mengetahui dasar kekuatan bahan serta sumber pengadaannya, mengingat pengecekan dan penyesuaian suatu produk kembali kepada kekuatan bahan yang akan digunakan.

Pada dunia industri banyak terjadi kegagalan yang disebabkan oleh cacat material. Banyak peneliti mencari cara bagaimana untuk mengetahui ada tidaknya cacat pada suatu material. Secara garis besar, terdapat dua jenis pengujian material yaitu pengujian merusak (Destructive Test) dan pengujian tidak merusak (Non Destructive Test). Terlihat dari namanya, pengujian ini dibedakan atas bagaimana kondisi terakhir dari material setelah pengujian. Pengujian merusak (Destructive Test) biasanya digunakan untuk mengukur sifat mekanik suatu material, seperti: kekuatan, kekerasan, fatigue dan lain sebagainya. Sedangkan pengujian tidak merusak (Non Destructive Test) lebih condong untuk mengetahui ada tidaknya cacat, struktur mikro dan estimasi sifat mekanik pada material.

DESTRUCTIVE TEST

Destructive Test adalah pengujian yang dilakukan terhadap suatu material atau spesimen sampai material tersebut mengalami kerusakan. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui performa pada material yang bersangkutan, salah satunya bila material tersebut dikenai kerja dari luar dengan besar gaya yang berbeda-beda. Pengujian ini umumnya jauh lebih mudah untuk dilaksanakan, selain itu memberikan informasi yang lebih baik dari pada Non Destructive Test. Destruktif tes lebih baik dilakukan dan akan lebih ekonomis untuk objek yang akan diproduksi secara masal, misalnya mobil.

NON DESTRTRUCTIVE TEST

Non Destrtructive Test (NDT) adalah aktivitas tes atau inspeksi terhadap suatu benda untuk mengetahui adanya cacat, retak, atau discontinuity lain tanpa merusak benda yang kita tes atau inspeksi. Pada dasarnya, tes ini dilakukan untuk menjamin bahwa material yang kita gunakan masih aman dan belum melewati damage tolerance. Material pesawat diusahakan semaksimal mungkin tidak mengalami kegagalan (failure) selama masa penggunaannya. NDT dilakukan paling tidak sebanyak dua kali. Pertama, selama dan diakhir proses fabrikasi, untuk menentukan suatu komponen dapat diterima setelah melalui tahap-tahap fabrikasi. NDT ini dijadikan sebagai bagian dari kendali mutu komponen. Kedua, NDT dilakukan setelah komponen digunakan dalam jangka waktu tertentu. Tujuannya adalah menemukan kegagalan parsial sebelum melampaui damage tolerance-nya.

Dalam rangka pengujian bahan yang akan digunakan dalam proses manufaktur dan kegiatan pengolahan material lainnya, selain destruktif dan non destruktif tes, terdapat pula metode metalografi dan analisa kegagalan pada material.

METALOGRAFI

Sebelum diketahui atau digunakan dalam industri atau bagian-bagian yang lain, karakteristik struktural atau susunan dari logam atau paduannya yang akan digunakan atau ditawarkan pada industri, dengan melakukan pengujian metalografi maka dapat dilakukan berbagai jenis perubahan pada suatu material setelah mengetahui karakteristiknya. Dari hal inilah, orang mulai mencoba untuk melakukan uji metalografi pada suatu material. Sehingga dengan cara ini dapat diperoleh bahan dengan sifat-sifat yang sesuai dengan tujuan tertentu untuk memenuhi kebutuhan teknologi modern yang meningkat. Untuk itu, pengujian metalografi sangat berguna dalam berbagai dunia industri, terutama pada industri logam dan otomotif. Karena kebutuhan akan logam ini semakin meningkat, maka banyak industri manufaktur menyuplai bahan logam yang ada di pasaran san telah melalui berbagai proses pengujian bahan. Maka tidak dapat dipungkiri bahwa pengujian metalografi sangat berperan bagi dunia industri. Oleh karena itu kita harus berusaha mencari material yang memiliki sifat dan karakteristik yang baik.

Beberapa tahapan yang biasa dilakukan dalam metode metalografi adalah sebagai berikut:

1.   Pemotongan

Pemotongan atau sectioning adalah pengambilan sebagian sampel representatif yang akan dianalisis dengan berbagai cara, seperti pemotongan dengan cakram abrasiif, gergaji atau dengan plasma bertekanan tinggi.

2.    Labeling, Identifikasi

Labeling yaitu pemberian identitas sampel agar dapat dibedakan dengan yang lainnya.

Labeling dapat dilakukan dengan cara penggoresan, pengetokan atau dengan cara lainnya.

Pastikan bahwa tidak akan hilang selama preparasi.

3.    Mounting

Mounting yaitu pelapisan sampel logam dengan zat organik seperti bakelit, exponin resin dengan maksud mempermudah penanganan selama persiapan metalografi. Teknik mounting daoat dilakukan dengan berbagai cara seperti clamp mounting, compression mounting, cold mounting dan conductive mounting. Perbedaan pokok dari keempat cara tersebut tergantung pada bahan dan teknik pelapisan yang dilakukan.

4.    Grinding, Penggerindaan

Grinding atau pengetaman untuk meratakan permukaan sampel dengan menggunakan kertas/bahan abrasif. Ukuran abrasif yang digunakan mulai dari 40 sampai 1200 mesh. Bahan abrasif umumnya terbuat dari alumina silicon karbida, emery atau intan.

Untuk menghindari engaruh temperature gesekan, maka operasi perataan permukaan dilakukan dengan cara basah. Teknik grinding dapat dilakukan dengan hand grinding, automatic machine, atau lapping.

5.    Polishing, Pemolesan

Polishing atau pemolesan adalah tahap akhir dari perataan permukaan sampel. Syarat permukaan sampel yang dapat dignakan untuk analisis metalografi adalah harus bebas goresan dan tampak seperti cermin. Pemolesan dapat dilakukan secara bertahap dengan cara mekanis, kimia dan elektrolitik.

6.    Etching, Pengetsaan

Etching atau pengetsaan adalah pemberian reagen kimia yang disebut dengan etchant pada permukaan hasil polishing untuk menimbulkan penampakan khusus seperti fasa, batas butir, dislokasi dan struktur mikro tertentu di bawah mikroskop.

Teknik pengetsaan dapat dilakukan dengan cara kimia, elektrolitik dan katodik vakum. Setiap logam memiliki reagent etchant tertentu, seperti baja dan besi cor, dapat digunakan reagent nitai atau picral yang keduanya menampakkan fasa pearlite.

7.    Cleaning, Pembersihan

Cleaning adalah pembersihan permukaan logam yang belum dan sesudah dietsa dari kotoran ataupun reagent kimia. Bahkan sangat dianjurkan setiap tahapan selalu dilakukan pencucian permukaan sampel sebelum masuk tahap berikutnya. Pencucian dapat dilakukan dengan menggunakan air mengalir sampai pada tahap polishing dan menggunakan alkohol untuk etsa.

8.    Drying, Pengeringan

Tahap akhir adalah pengeringan sampel sebelum pengamatan mikroskop. Permukaan sampel harus benar-benar kering. Air yang tersisa pada permukaan akan teruapkan saat pengamatan. Hal ini akan merusak lensa mikroskop. Selain itu, air yang tersisa dapat memberikan interpretasi menjadi salah.

FAILURE ANALYSIS

Analisis kegagalan adalah langkah-langkah pemeriksaan kegagalan atau kerusakan pada suatu komponen yang mencakup situasi dan kondisi kegagalan atau kerusakan tersebut, sehingga dapat ditentukan penyebab dari kegagalan/kerusakan yang terjadi pada komponen tersebut. Tujuan dari analisan kegagalan adalah sebagai berikut:

a.       Menemukan penyebab utama kegagalan.

b.      Menghindari kegagalan atau kerusakan yang sama dimasa yang akan datang dengan melakukan langkah-langkah penanggulangan.

c.       Sebagai bahan pengadukan teknis terhadap pembuatan komponen.

d.      Sebagai langkah awal untuk perbaikan kualitas dari komponen tersebut.

e.       Sebagai penentuan kapan waktu perawatan (maintenance) dilakukan.

Kegagalan suatu komponen biasanya diawali dengan retakan yang menjalar sehingga menyebabkan suatu cacat. Retakan yang terjadi dapat dikatagorikan atas ciri-ciri makroskopis, yaitu sebagai berikut:

1.      Patah ulet (Ductile fracture)

2.      Patah getas (Brittle fracture)

3.      Patah lelah (Fatigue fracture)

4.      Retak korosi tegangan (Stress corrosion cracking)

5.      Penggetasan (Embrittlement)

6.      Mulur (Creep) dan Stress rupture

EKSTRAKSI ALUMINA

Bauksit merupakan bijih utama pembentuk aluminium dimana komposisinya berupa senyawa oksida dari aluminium yaitu Al₂O₃ dan Al(OH)₃. Selain aluminium, juga terdapat senyawa lain seperti Fe₂O₃, SiO ₂ dan TiO_2. Di Indonesia, bauksit banyak terdapat di Pulau Bintan dan Kalimantan Barat.

Bauksit dapat menghasilkan alumina melalui berbagai macam proses. Proses pengolahan alumina yang terakhir ditemukan dan masih digunakan hingga sekarang yaitu Proses Bayer. Proses Bayer merupakan suatu proses pemurnian bijih bauksit untuk menghasilkan aluminium dalam bentuk oksidanya atau yang disebut alumina. Tahap-tahap pada proses Bayer ini meliputi ekstraksi, presipitasi dan kalsinasi.

Selain menghasilkan alumina, pada akhir proses Bayer juga menghasilkan residu bauksit atau yang dikenal dengan red mud. Red mud yang dihasilkan tersebut masih terkandung aluminium dalam bentuk Al₂O₃.Namun komponen utama dari red mud adalah Fe₂O₃ dengan kisaran kadarnya sebesar 20-45%. Untuk Al₂O₃ 10-22%, SiO₂ 5-30%, TiO₂ 4-20%, CaO 0-14% dan Na₂O 2-8%. Oleh karena kandungan besi yang banyak, maka menyebabkan warna dari red mud menjadi merah.Red mud hasil dari pencucian (tailing) berupa cairan lumpur bercampur dengan pasir yang disebut sebagai limbah pencucian bauksit, kemudian dialirkan ke kolam-kolam pengendapan terlebih dahulu sebelum dialirkan ke laut atau lingkungan sekitar.

Pada prinsipnya, proses Bayer bertujuan untuk Pemurnian Bijih Bauksit dengan cara menghilangkan 3 komponen pengotor utama yaitu Fe₂O₃, SiO₂ dan TiO₂. Kalsium dan magnesium biasanya terkandung dalam bentuk mineral dolomit yang tidak larut. Pemurnian atau menghilangkan senyawa silika dalam larutan sodium aluminat hasil proses Bayer menggunakan reagen-reagen desilikasi yaitu CaCl₂, Ca(OH)₂ dan karbon aktif. Menurut Totten and MacKenzie (2003), komposisi larutan sodium aluminat hasil dari proses Bayer komersial umumnya mengandung oksida utama Al₂O₃ sekitar 32,8 g/100 g bebas Na₂O dan mengandung pengotor SiO₂ terlarut cukup rendah sekitar 0,6 g/100 g bebas Na₂O. Kandungan SiO₂ terlarut dalam larutan hasil proses Bayer komersial adalah maksimum 0,6 mg/L. Noworyta dalam Hudson (1987) telah berhasil menurunkan kandungan silika terlarut hingga < 0,02 mg/L dalam larutan sodium aluminat dengan menggunakan 7,1 g/L CaO sebagai reagen desilikasinya.

Bijih bauksit yang berkadar rendah diketahui mengandung aluminium rendah, yang akan mengurangi kemampuan mengekstraksi unsur aluminium. Pengotor utama pada bijih bauksit di antaranya adalah senyawa silika, besi dan titanium. Silika biasanya berasosiasi membentuk mineral silikat berupa kaolinit, haloysite atau silika itu sendiri berupa mineral kuarsa. Sebagian silika (kuarsa) larut dalam larutan sodium aluminat hasil proses Bayer pada suhu di atas 180 ^oC, sedangkan lempung atau silikat lain seperti kaolinit mudah bereaksi dengan NaOH pada saat proses digestion.

Percobaan metode pemurnian bijih bauksit di indonesia sebelumnya telah dilakukan dan menunjukkan kandungan pengotor dalam larutan sodium aluminat hasil proses Bayer dari bijih bauksit terdiri dari Fe₂O₃=10,66 mg/L; SiO₂=56,08 mg/L; CaO=4,16 mg/L; P₂O₅=26,92 mg/L dan TiO₂=7,02 mg/L. Proses penurunan jumlah logam terlarut yang tidak diharapkan dalam larutan sodium aluminat khususnya Fe₂O₃ dapat dilakukan dengan menggunakan larutan polimer amidoxime, sehingga membentuk kompleks polimer-besi yang bisa mengendap dalam larutan sodium aluminat.

Selain itu, keberadaan silika dalam bijih bauksit menyebabkan pelarutan dan presipitasi kembali silika sebagai produk desilikasi tipe sodalite, sehingga akan mengkonsumsi NaOH lebih banyak. Oleh karena itu, lebih baik mengontrol desilikasi saat proses digestion dengan mengubah silika menjadi senyawa yang memiliki kelarutan rendah seperti kalsium aluminosilikat. Senyawa tersebut terbentuk dengan bantuan pereaksi kimia seperti kalsium oksida (CaO), kalsium hidroksida Ca(OH)₂ atau turunan dari senyawa kalsium klorida (CaCl₂) yaitu Friedel’s salt yang memiliki kapasitas penukar ion terhadap silikat dalam larutan sodium aluminat sintetis yang dapat mengurangi > 95% silica.

Pda tahun 2011, kembali dilakukan penelitian penurunan silika terlarut menggunakan Whiton yang mengandung CaCO₃ sebagai bahan desilikasi pada proses digestion terhadap bijih bauksit yang mengandung SiO₂ total 1,17%. Larutan sodium aluminat yang dihasilkan mengandung silika terlarut 93% lebih rendah daripada larutan yang dihasilkan tanpa penambahan CaCO₃

Penelitian terakhir yang dilakukan melakukan percobaan penurunan jumlah pengotor logam terlarut yang tidak diinginkan dalam larutan sodium aluminat dengan menggunakan CaCO₃ pada saat proses digestion dan masing-masing senyawa kimia CaCl₂, Ca(OH)₂, dan karbon aktif pada larutan sodium aluminat yang dihasilkan dari proses digestion dengan kandungan SiO₂ total dalam bijih bauksit yaitu 5,99%. Metode yang digunakan adalah terhadap bijih bauksit dilakukan preparasi ayak basah berukuran lolos 60 mesh. Bijih bauksit kemudian

direaksikan dengan NaOH dan Whitton (CaCO₃) di dalam bejana bertekanan 3 bar (2,96 atm) pada suhu 140 ^oC selama 2 jam. Proses Bayer ini menghasilkan larutan sodium aluminat dan residu lumpur berwarna merah yang dikenal dengan nama red mud yang kemudian dipisahkan melalui penyaringan. Terhadap percontoh larutan sodium aluminat yang dihasilkan, dilakukan analisis kimia untuk melihat komposisi kandungan oksidanya. Berdasarkan hasil analisis kimia diketahui larutan sodium aluminat tersebut mengandung SiO₂ yang tinggi (17,5 g/L). Terhadap larutan sodium aluminat tersebut ditambahkan senyawa kimia pengikat SiO₂ (desilikasi) yaitu CaCl₂, Ca(OH)₂ dan bahan penyerap karbon-aktif dengan rasio mol 1:1 terhadap SiO₂. Masing-masing senyawa desilikasi dan bahan penyerap karbon aktif tersebut ditambahkan pada saat larutan sodium aluminat telah mencapai suhu 70 C. Pada menit ke 30; 90; 150; 210; 270 hingga menit ke 300 diambil percontoh larutannya dengan pipet lalu dianalisis kimia untuk mengetahui kandungan oksida sisa dalam larutan tersebut. Diagram alir proses pemurnian larutan sodium aluminat dapat dilihat pada gambar dibawah: