1.2. Identifikasi Masalah
Apakah pengaruh kadar zat pengotor berupa silikon Si dan besi Fe yang terdapat dalam aluminium cair molten dapat mempengaruhi kualitas aluminium yang
akan dihasilkan terhadap standar grade aluminium yang telah ditetapkan.
1.3. Tujuan
Untuk mengetahui standar kadar zat pengotor yang dapat dicetak menjadi aluminium batangan ingot dengan menyesuaikan standarisasi grade aluminium yang
telah ditentukan oleh PT.Inalum.
1.4. Manfaat
Dengan diketahui berapa banyak persentase kadar zat pengotor silikon Si dan besi Fe yang terkandung dalam aluminium cair dapat dilakukan analisa terhadap
aluminium cair molten, sehingga ketika kadar zat pengotor berlebih dilakukan perlakuan berupa mencampurkan aluminium cair dengan kadar zat pengotor tinggi ke
dalam aluminium cair dengan kadar zat pengotor rendah sehingga dapat dilakukan pencetakan.
Universitas Sumatera Utara
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. Didalam udara bebas aluminium mudah teroksidasi membentuk lapisan tipis oksida Al
2
O
3
yang tahan terhadap korosi. Aluminium juga bersifat amfoter yang mampu bereaksi dengan
larutan asam maupun basa Hartono,1992.
Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai ketahanan korosi yang baik dan hantaran listrik yang baik serta sifat-sifat baik yang lainnya sebagai sifat
logam Surdia,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 :
Universitas Sumatera Utara
1. Pada tahun 1782, seorang ilmuwan Prancis bernama Lavoiser telah
menduga bahwa aluminium merupakan logam yang terkandung didalam alumina.
2. Pada tahun 1807, ahli kimia inggris bernama Humphrey Davy berhasil
memisahkan alumina secara elektrokimia logam dan yang diperoleh dari pengujian tersebut adalah aluminium.
3. Pada tahun 1821, biji sumber aluminium ditemukan di Prancis Selatan,
tepatnya dikota Lesbaux, yang dinamakan bauksit. 4.
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. 5.
Pada tahun 1886, mahasiswa Oberlin College di Ohio, Amerika Serikat bernama Charles Martin-Hall menemukan dengan cara melarutkan alumina
Al
2
O
3
dalam lelehan kriolit Na
3
AlF
6
pada temperatur 960 C dalam
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.
6. Pada tahun 1888, ahli kimia Jerman Karlf Josef Bayer menemukan cara
memperoleh alumina dari bauksit secara pelarutan kimia. Sampai saat ini cara Bayer masih digunakan untuk memproduksi alumina dari bauksit
secara industri dan disebut proses Bayer Davis,1993.
Aluminium adalah logam yang terbanyak didunia. Logam 8 dari bagian pada kerak bumi. Boleh dikatakan setiap negara mempunyai persediaan bahan yang
Universitas Sumatera Utara
mengandung aluminium, tetapi proses untuk mendapatkan aluminium logam dari kebanyakan bahan itu masih belum ekonomis. Logam aluminium pertama kali dibuat
dalam bentuk murni oleh Oersted pada tahun 1825, yang memanaskan ammonium klorida NH
4
Cl dengan amalgam kalium-raksa K-Hg.
Pada tahun 1854, Henri Sainte-Claire Deville membuat aluminium dari natrium-aluminium klorida dengan jalan memanaskan dengan logam natrium. Proses
ini beroperasi selama 35 tahun dan logamnya dijual dengan harga 220 per kilogram. Pada tahun 1886 Charles Hall mulai memproduksi aluminium dengan skala besar
seperti sekarang, yaitu melalui elektrolisis alumina didalam kriolit Na
3
AlF
6
lebur. Pada tahun itu pula, Paul Heroult mendapat hak dari prancis untuk proses serupa
dengan proses Hall. Hingga pada tahun 1893, produksi aluminium menurut cara Hall ini sudah sedemikian meningkat, sehingga harganya sudah jatuh menjadi 4,40 per
kilogram. Industri ini berkembang dengan baik, berdasarkan suatu pasaran yang sehat dan berkembang atas dasar penelitian mengenai sifat-sifat aluminium dan cara-cara
pemakaian yang ekonomis bagi bahan ini Austin,1990.
2.1.3. Sifat-sifat Aluminium
Dalam tiga dasawarsa terakhir ini aluminium telah menjadi salah satu logam industri yang paling luas penggunaannya didunia. Aluminium banyak digunakan
didalam semua sektor utama industri seperti angkutan, konstruksi, listrik, peti kemas dan kemasan, alat rumah tangga serta peralatan mekanis.
Universitas Sumatera Utara
Penggunaan aluminium yang luas disebabkan aluminium memiliki sifat-sifat yang lebih baik dari logam lainnya seperti :
a.
Ringan : memiliki bobot sekitar 13 dari bobot besi dan baja, atau tembaga
dan karenanya banyak digunakan dalam industri transportasi seperti angkutan udara.
b.
Kuat : terutama bila dipadu dengan logam lain. Digunakan untuk pembuatan
produk yang memerlukan kekuatan tinggi seperti : pesawat terbang, kapal laut, bejana tekan, kendaraan dan lain-lain.
c.
Mudah dibentuk dengan semua proses pengerjaan logam. Mudah dirakit
karena dapat disambung dengan logam material lainnya melalui pengelasan, brazing
, solder, adhesive bonding, sambungan mekanis, atau dengan teknik penyambungan lainnya.
d.
Tahan korosi : sifatnya durabel sehingga baik dipakai untuk lingkungan yang
dipengaruhi oleh unsur-unsur seperti air, udara, suhu dan unsur-unsur kimia lainnya, baik diruang angkasa atau bahkan sampai ke dasar laut.
e.
Konduktor listrik : setiap satu kilogram aluminium dapat menghantarkan
arus listrik dua kali lebih besar jika dibandingkan dengan tembaga. Karena aluminium relatif tidak mahal dan ringan, maka aluminium sangat baik untuk
kabel-kabel listrik overhead maupun bawah tanah. f.
Konduktor panas : sifat ini sangat baik untuk penggunaan pada mesin alat
pemindah panas sehingga dapat membersihkan penghematan energi. g.
Memantulkan sinar dan panas : dapat dibuat sedemikian rupa sehingga
memiliki kemampuan pantul yang tinggi yaitu sekitar 95 dibandingkan dengan kekuatan pantul sebuah cermin. Sifat pantul ini menjadikan aluminium
sangat baik untuk peralatan penahan radiasi panas.
Universitas Sumatera Utara
h.
Non magnetik : dan karenanya sangat baik untuk penggunaan pada peralatan
listrik elektronik, pemancar radio TV, dan lain-lain, dimana diperlukan faktor magnetisasi negatif.
i.
Tak beracun : dan karenanya sangat baik untuk penggunaan pada industri
makanan, minuman dan obat-obatan, yaitu untuk peti kemas dan pembungkus. j.
Memiliki ketangguhan yang baik : dalam keadaan dingin dan tidak seperti
logam lainnya yang menjadi getas bila didinginkan. Sifat ini sangat baik untuk penggunaan pada pemrosesan maupun transportasi LNG dimana suhu gas cair
k.
Menarik : dan karena itu aluminium sering digunakan tanpa diberi proses
pengerjaan akhir. Tampak permukaan aluminium sangat menarik dan karena itu cocok untuk perabot rumah hiasan, bahan bangunan dan mobil.
Disamping itu aluminium dapat diberi surface treatment, dapat dikilapkan, disikat atau dicat dengan berbagai warna, dan juga diberi proses anodisasi.
Proses ini menghasilkan lapisan yang juga dapat melindungi logam dari goresan dan jenis abrasi lainnya.
l.
Mampu diproses ulang-guna : yaitu dengan mengolahnya kembali melalui
proses peleburan dan selanjutnya dibentuk menjadi produk seperti yang diinginkan. Proses ulang-guna ini dapat menghemat energi, modal dan bahan
baku yang berharga Daryus,2008.
2.1.4. Bahan Baku Aluminium
Untuk memproduksi aluminium diperlukan :
Universitas Sumatera Utara
A. Bahan baku utama
1. Alumina
Alumina diperoleh dari bauksit melalui beberapa proses Bayer. Bauksit merupakan bahan baku Al yang terdiri dari Al
2
O
3
aluminium oksida dan memiliki kemurnian yang berbeda seperti besi oksida, aluminium silika dan
titanium oksida. Aluminium oksida Al
2
O
3
atau alumina biasanya berupa kristal ion. Tetapi ion oksida O
-2
dipolarisasi oleh ion aluminium sehingga sebagian ikatannya bersifat kovalen. Aluminium oksida meleleh pada 2035
C. Zat ini tidak larut dalam air, stabil dan keras. Aluminium oksida adalah amfoter. Zat ini
melarut dengn lambat dalam asam encer maupun basa encer.
Al
2
O
3 s
+ 6H
+ aq
2Al
3+ aq
+ 3H
2
O
l
Al
2
O
3s
+ 2OH
- aq
+ 3H
2
O 2AlOH
- 4
2. Anoda
Anoda adalah elektroda bermuatan listrik positif. Jenis anoda yang dipakai adalah jenis anoda prebaked, anoda yang digunakan diseksi reduksi dibuat digedung
karbon dengan bahan kokas dan hard pitch.
3. Katoda
Katoda adalah elektroda bermuatan listrik negatif. Ditinjau dari bahan bakunya dan proses pembuatannya, katoda dibagi atas 4 jenis, yaitu :
Universitas Sumatera Utara
a. Blok katoda amorphous, bahan bakunya antrasit, dipanggang pada suhu
1200 C
b. Blok katoda semi graphitic, bahan bakunya grafit, dipanggang pada suhu
2300 C
c. Blok katoda graphitic, bahan bakunya kokas mengalami proses grafitasi suhu
3000 C Jody,1992.
B. Bahan baku penunjang
a. Kriolit
Kriolit dapat mengandung CaF
2
dan AlF
3
yang dapat membentuk kriolit Na
3
AlF
6
. 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, AlF
3
dan CaF
2
.
b. Soda abu Na
2
CO
3
Soda abu berfungsi memperkuat struktur katoda dan dinding samping agar sulit tererosi. Lapisan dinding samping dengan Na
2
CO
3
dilakukan pada tahap transisi
Universitas Sumatera Utara
untuk membantu proses pembentukan kerak samping. Selain mencegah erosi oleh bath, soda abu berfungsi sebagai isolasi termal.
c. Aluminium florida AlF
3
Aluminium florida berfungsi menjaga keasaman bath dan merupakan bahan yang
dituangkan secara manual jika kelebihan AlF
3
kurang didalam bath. Spesifikasi AlF
3
yang digunakan oleh PT INALUM adalah :
Tabel 2.1.
Spesifikasi AlF
3
Jenis Unit
Spesifikasi
AlF
3
93 minimal SiO
2
0,25 maksimal P
2
O
5
0,02 maksimal Fe
2
O
3
0,07 maksimal Moisture
water content 0,35 maksimal
Loss on Ignitation 300-1000
C 0,85 maksimal
Bulk Density Gramcc
0,7 minimal Particle Size
Tyler Mesh Typical
+ 150 mesh 25-60
+ 200 mesh 50-75
+ 320 mesh 75 minimal
PT Inalum,2009.
Universitas Sumatera Utara
2.1.5. 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
Pengangkutan 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
Barang pengguna tahan lama perkakas, peralatan dapur, dsb 6
Talian penghantaran elektrik berat pengalir aluminium adalah setengah dari berat tembaga dengan kekonduksian yang sama dan lebih murah
7 Jendela
Universitas Sumatera Utara
8 Aluminium murni
9 Serbuk aluminium, yang mempunyai bentuk perak yang bisa digunakan dalam
cat. Serpihan aluminium juga dimasukkan dalam cat alas, terutama kayu cat Oxtoby,2003.
2.2. Alumina
Adapun pembagian dari alumina berdasarkan ukuran partikelnya adalah :
1. Alumina sandy ¥-Al
2
O
3
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.
2. Alumina floury α-Al
2
O
3
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
Item Satuan
Spesifikasi
Loss on Ignition 300-1000
C 1,00 maksimal
SiO
2
0,03 maksimal Fe
2
O
3
0,03 maksimal TiO
2
0,005 maksimal Na
2
O 0,600 maksimal
CaO 0,060 maksimal
Al
2
O
3
98,40 minimal Spesific Surface Area
M
2
g 40-80
Particle Size + 100 mesh
12,0 maksimal + 150 mesh
25 minimal - 325 mesh
12,0 maksimal Angle of Refuse
Deg 30-34
PT INALUM,2009.
2.2.1. Kebutuhan Alumina
Selama beroperasinya sel, terjadi pembentukan kerak diatas permukaan penangas lebur. Alumina ditambahkan ke atas kerak ini dan alumina akan mengalami
pemanasan selanjutnya melepaskan kandungan airnya. Kerak itu dipecahkan secara berkala dan alumina itu diaduk ke dalam penangas agar konsentrasinya tetap berada
disekitar 2 sampai 6. Kebutuhan teoritis alumina adalah 1,89 per kilogram
Universitas Sumatera Utara
aluminium. Tetapi dalam prakteknya, angkanya kira-kira 1,91. Bila kadar alumina didalam penangas itu sudah berkurang dan efek anoda berlangsung pada anoda itu
terbentuk suatu lapisan tipis karbon tetrafluorida dipenangas itu tidak dapat lagi membatasi permukaan anoda. Dalam hal ini voltase sel akan naik dan ini terlihat dari
lampu peringatan atau lonceng yang dihubungkan dengan sel dan hanya bekerja jika sel beroperasi tidak normal. Bila ini terjadi, alumina kemudian diadukkan ke dalam
sel, walaupun waktunya bukanlah waktu penambahan berkala yang direncanakan. Mengenai mekanisme yang sebenarnya dari pelarutan alumina didalam penangas dan
bagaimana mekanisme dekomposisi elektrolitnya masih belum jelas. Tetapi pada akhirnya adalah pembebasan oksigen pada anoda dan pengendapan logam aluminium
pada katoda. Oksigen itu bergabung dengan anoda karbon menghasilkan CO dan CO
2
tetapi kebanyakan adalah CO
2
Austin,1990.
2.3. Elektrolisa
Hampir semua logam aluminium primer dihasilkan dengan proses elektrolisa Hall-Heroult. Bahan baku yang digunakan terdiri dari alumina, karbon, kriolit, CaF
2
, HF, AlF
3
dan tenaga listrik. Terdapat dua jenis tungku reduksi yang dipergunakan dalam industri peleburan aluminium yaitu Prebaked Anode Furnace PAF dan
Soderberg Anode Furnace SAF. Perbedaan kedua tipe tungku tersebut terletak pada
cara pemanggangan anodanya, dalam sistem PAF anoda dipanggang terlebih dahulu prebaked sebelum dipergunakan. Sedangkan pada sistem SAF tidak dilakukan
pemanggangan pendahuluan, melainkan dimasukkan langsung kedalam tungku reduksi.
Universitas Sumatera Utara
Reaksi kimia yang terpenting yang terjadi ditungku reduksi, adalah reaksi elektrolisa untuk menghasilkan logam aluminium. Dengan mengalirkan listrik arus
searah, terjadi elektrolisa alumina menjadi ion-ion positif dan ion-ion negatif Al
2
O
3
2Al
3+
+ 3O
2-
. Ion aluminium tertarik ke katoda dan dinetralisir sehingga terbentuk aluminium. Demikian juga ion zat asam mendekati anoda kemudian dinetralisir.
Selain itu terjadi juga reaksi reduksi, dimana karbon yang berasal dari anoda berfungsi sebagai reduktor mengikat asam :
2Al
2
O
3
+ 3C 4Al + 3CO
2
Aluminium cair yang terkumpul dibagian bawah tungku selanjutnya dihisap dan dibawa ke pabrik penuangan. Pada proses Hall-Heroult, logam aluminium diperoleh
dari alumina dengan menggunakan cairan kriolit Na
3
AlF
6
, titik lebur 1000 C yang
digunakan sebagai pelarut. Sejumlah besar alumina Al
2
O
3
dilarutkan dalam kriolit, dimana larutan kriolit dapat menurunkan titik lebur alumina. Campuran kriolit dan
aluminium oksida dielektrolisa dalam sel dan sel lapisan karbon yang berfungsi sebagai katoda tersimpan didalam cairan aluminium. Pada operasi sel, cairan
aluminium berada pada bagian bawah sel. Dari waktu ke waktu aluminium cair akan
disedot dan selanjutnya akan dibawa ke bagian casting untuk dicetak. Pada operasi sel ini diperlukan tegangan sebesar 4,0 sampai 5,5 volt, dan arus yang digunakan dari
50.000 sampai 150.000 kA Kelvin,1994.
2.4. Proses Hall-Heroult