Bijih Besi Lokal Proses Milling

• Oksidasi: limonite dan hematite. Table 2.1 Mineral-Mineral Bijih Besi Bernilai Ekonomis MINERAL SUSUNAN KIMIA KANDUNGAN FE KLASIFIKASI KOMERSIL magnetite FeO, Fe 3 O 4 72,4 Magnetic atau bijih hitam hematite Fe 2 O 3 70 Bijih merah limonite Fe 2 O 3. nH 2 O 59-63 Bijh coklat siderite FeCO 3 48,2 Spathic, black band, clay ironstone

2.2 Bijih Besi Lokal

Indonesia kaya akan kandungan alamnya, begitupun bahan baku bijih besi terdapat dalam jumlah yang cukup besar, bijih besi ini ditemukan dalam berbagai oksidasi, di antaranya bijih besi yang terdapat di Indonesia yang ditemukkan di Indonesia seperti bijih besi hematite, magnetite, laterit, dan pasir besi, adapun karakteristik dari setiap bijih besi lokal adalah sebagai berikut: 6 • Bijih Besi Hematite Rumus kimianya Fe 2 O 3 . kandungan Fe-nya bervariasi low-high grade. Biasanya terdapat bersama pengotor seperti silika dan alumina. Proses benefisiasi untuk meningkatkan kadar Fe biasanya dengan metode flotasi. Jenis bijh besi primer ini merupakan bahan baku utama untuk memproduksi besi atau baja dunia. Bijih besi hematite di Indonesia terdapat antara lain di Ketapang Kalbar, Belitung, Tasik, dan lain-lain • Bijih Besi Magnetite Rumus kimianya Fe 3 O 4 atau FeO, Fe 2 O 3 , bersifat magnet kuat, sehingga proses benefesiasinya menggunakan magnet separator. Di luar negeri seperti RRC, bijih besi magnetite dengan kadar Fe dibawah 30 bisa diolah secara ekonomis. Proses reduksi bijih besi magnetite relatif lebih sulit dibandingkan hematite, hal ini disebabkan karena ikatan antara oksigen dengan Fe lebih kompak. Di Indonesia bijih besi magnetite terdapat antara lain di Pagelaran – Lampung, Air Abu – Sumbar, dan lain-lain. • Bijih Besi Laterite Bijih besi laterite merupakan hasil pelapukan batuan ultra basic. Jenis batuannya berupa goethite atau ilmonite. Kadar Fe-nya tidak terlalu tinggi, karena menggandung air kristal. Di Indonesia bijih besi laterite banyak terdapat di Pulau Sebuku, Gunung Kukusan, Geronggang Kalsel, Pomala, Halmahera. 7 • Pasir Besi Jenis materialnya adalah Titanomagnetite dan bersifat magnet kuat, kandungan Fe-nya relstif lebih rendah karena mengandung Titan oksida. Pengolahan bijih sampai menjadi besi baja secara komersil sudah dilakukan di New Zealand Steel – Selandia baru dan di Panzhihua Steel – RRC. 5 Gambar 2.1 XRD Pasir besi 8

2.3 Proses Milling

6,7 Mechanical alloying adalah proses pencampuran serbuk yang meliputi pengulangan pengelasan dingin dan penghancuran partikel serbuk pada energi tinggi ball mill yang dihasilkan dari tumbukkan dari bola-bola. Proses sebenarnya dari mechanical alloying adalah mencampurkan serbuk dan medium gerinda biasanya bola besibaja. Campuran ini kemudian dimilling beberapa lama sehingga keadaan tetap dari serbuk tercapai dimana komposisi serbuk semuanya sama seperti ukuran elemen-elemen pada awal pencampuran serbuk. Hal-hal yang mempengaruhi proses milling antara lain adalah bahan baku, tipe milling dan variabel proses milling. Disini akan di jelaskan bagian-bagian dari proses mechanical alloying satu persatu.

2.3.1 Bahan Baku

Bahan baku untuk MA secara luas terdapat secara komersil serbuk yang memiliki ukuran kira-kira1-200 µm Distribusi dari ukuran dan area permukaan dari partikel serbuk adalah parameter yang penting dalam mechanical alloying dan milling. Ukuran-ukuran partikel akan mempengaruhi reaksi kimia selama proses milling, namun ukuran tidaklah telalu kritis, asalkan ukuran material itu haruslah lebih kecil dari ukuran bola grinda. Ini disebabkan ukuran partikel serbuk berkurang dan akan mencapai ukuran mikron walau hanya setelah beberapa menit dimilling. Bahan baku yang termasuk untuk katagori diatas antarnya, material murni, campuran logam, serbuk prealloyed, efactory compound. Penguatan dispersi material biasanya 9 ditambahkan kabida, nitride, dan oksida. Oksida adalah yang yang paling umum digunakan dan materialnya sering disebut dengan materil ODS. Adakalanya serbuk dimilling dengan media cairan dan dikenal dengan proses penggilingan basah. Dan jika dilakukan bukan dengan media cairan dikenal dengan penggilingan kering. Dan telah dilaporkan bahwa kecepatan asmofir lebih cepat selama proses penggilingan basah dari pada penggilingan kering. Kerugian dari penggilingan basah adalah meningkatnya kontaminasi serbuk. Maka dari itu proses mechanical alloying dilakukan dengan penggilingan kering.

3.3.2 Tipe Milling

Tip-tipe berbeda dari peralatan high energy milling digunakan untuk memproduksi serbuk mechanical alloying. Perbedaannya pada kapasitasnya, efesiansi milling, dan pengaturan dingin, panas dan lain-lain. Gambaran lengkap dari perbedaan milling yang dapat digunakan untuk mechanical alloying akan dijelaskan di bawah ini. • SPEX Shaker Mills Shaker mill seperti SPEX mills, yang dapat memilling kir-kira 10-20 g serbuk dalam satu kali milling. biasanya SPEX mill digunakan untuk penelitian di laboratorium dan untuk tujuan skenering alloy. SPEX mengerakkan serbuk dan bola-bola pada tiga gerakan yang saling tegak lurus, 10 kira-kira pada 1200 rpm. Kapasitas wadah bisa mencapai 55x10 -6 m 3 persamaan pengurangan dan getaran bola-bola mill adalah energi yang tinngi. Energi tinggi milling bisa diperoleh dengan frekuensi yang tinggi dan amplitude yang besar dari getaran 6 . . Gambar 2.2 SPEX Shaker Mill • Planetary ball mill Planetary ball mill PBM adalah alat yang sering digunakan untuk mechanical alloying. Khususnya di Eropa. Karena Planetary ball mill bisa memilling seratus gram dalam satu kali milling Nama planetary ball mill diambil dari seperti pergerakan palnet, dimana prinsiap kerja dari planetary ball mill adalah didasarkan pada rotasi relatif pergerakan antara jar grinda dan putaran disk 7 . Ball mill terdiri dari satu putaran disk kadang disebut putaran 11 meja dan dua atau empat mangkok vial. Putaran disk dalam satu arah sementara itu mangkok vial berotasi pada arah yang berlawanan. Gaya sentrifugal dibuat dari vial yang mengelilingi sumbunya bersama-sama dengan rotasi arah yang dipakai oleh serbuk dan bola-bola mill didalam mangkok. Campuran serbuk mengalami penghancuran dan pengelasan dingin di bawah impek energi tinggi. Gambar 2.3 Pergerakan Bola dan Serbuk dalam Vial Gambar 2.3 melihatkan gerakkan bola-bola dan serbuk selama arah rotasi mangkok dan putaran disk berlawanan, gaya sentifugal bertukaran secara singkron. Hasil gesekan dari bola-bola milling dan campuran serbuk digiling bergantian berputar terhadap dinding mangkok, dan hasil impek ketika bola-bola dan sebuk terangkat dan terlempar menyilang wadah yang menumbuk secara 12 berlawanan. Impek menguat ketika bola-bola menubruk bola-bola yang lainnya. Energi impek bola-bola milling pada arah normal mencapai 40 kali lebih dari akselarasi gravitasi. Oleh karena itu planetary ball mill bisa digunakan untuk milling berkecepatan tinngi. Gambar 2.4 PBM4 Buatan LIPI • Attritor mill Mechanical attritor adalah salah satu proses mechanical paling awal untuk mensintesis tipe berbeda dari material dalam jumlah yang besar. Metode ini telah dikembangkan sejak tahun 1970-an sebagai proses industri untuk membuat alloy yang baru. Batang utama dalam rotasi attritor pada kecepatan untuk bertubrukkan dengan bola-bola dan menghasilkan energi 13 tubrukkan yang sangat tinngi antara bola-bola steel dan isi serbuk untuk membiarkan mechanical alloying terjadi. Attritor yang kecil telah digunakan untuk penilitian dan tujuan pengembangan. Bisaanya 1 kg campuran serbuk bisa dimilling dalam attritor. Kapasitas maksimum attritor untuk mechanical alloying kira-kira 3,8 x 10 -3 m 3 dengan batang utama berotasi pada kecepatan 250 rpm. Kerena kecepatan batang yang tinngi, maka kapsitasnya agak terbatas. Kecepatan pengancuran yang tinngi secara relatif antara batang utama dan bola-bola steel, dan antara wadah dan bola-bola steel dengan mudah menyebabkan kontaminasi keserbuk. Kenaikan temperatur selama proses alloying sederhana dan diperkirakan kurang lebih 100 sampai 200 o C. selama milling wadah stasioner, wadah dengan mudah didinginkan dengan air. Untuk mengurangi kontaminasi, peralatan miling yang digunakan bisa dilapisi dengan material yang sama seperti material yang dimiling. Gambar attrior dapat dilihat pada gambar 4. Gambar 2.5 AttritorMilling 14

2.3.3 Parameter Milling

Mechanical alloying adalah proses yang komplek dan karenanya melibatkan optimasi dari beberapa variable untuk mencapai tahap produk yang diinginkan dan ukuran mikrostruktur. Beberapa parameter yang penting yang mempengaruhi hasil dari proses milling diantarnya: tipe milling, wadah milling, kecepatan milling, lama penggilingan, media penggilingan, ruang pada vial, perbandingan bubuk dengan bola, atsmofir milling, control agen, dan temperatur milling. • Tipe Milling Seperti yang telah diterangkan diatas beberapa tipe milling diantaranya; shaker mill, planetary ball mill, attrior mill, dan lain. Perbedaan dari tipe-tipe milling diatas terletak pada kapasitasnya, kecepatan operasinya, dan kemampuan mengontrol operasi dengan variasi temperatur dan meminimalisir pengotor terhadap serbuk. • Wadah milling Material yang digunakan untuk wadah miiling vasel, viar,jar, atau mangkok ini penting karena impek media penggiling pada bagian dalam dinding ruang vial beberapa material bisa terlepas dan menyatu dengan serbuk. Ini bisa mengkontaminasi serbuk atau merubah sifat kimia dari serbuk yang dimilling. 15 • Kecepatan Milling Mudah sekali untuk menyatakan bahwa rotasi milling yang cepat akan memberikan energi yang besar kepada serbuk.tetapi berdasarkan tipe milling ada batasan untuk kecepatan maksimum yang dapat digunakan. karena kecepatan yang tinggi akan menyebabkan temperatur pada vial akan meningkat. Ini akan memberikan keuntungan dalam beberapa kasus dimana difusi dibutuhkan untuk menghasilkan homogenesis dan paduan serbuk. Namun pada kasus lain pertambahan temperatur akan memberikan kerugian karena pertambahan temperatur dapat mempercepat proses tranformasi dan menyebabkan dekomposisi larutan padat super jenuh atau akan terbentuk fase metastabil lainya selama proses milling. Temperatur yang tinggi yang dihasilkan dari kecepatan milling yang tinggi juga dapat mengkontaminasi bubuk. • Waktu Milling Waktu milling adalah parameter yang penting, bisaanya waktu dipilih untuk mencapai keadaan yang tetap antar penghancuran dan pengelasan dingin dari partikel. Waktu yang dibutuhkan tergantung dari tipe milling yang digunakan, intesitas milling, rasio bola-serbuk, dan temperatur milling. Waktu milling yang lama dari waktu yang diperlukan akan meningkatkan kontaminasi dan beberapa fase yang tidak diinginkan akan terbentuk. Oleh 16 karena itu memilling serbuk untuk waktu yang diperlukan saja dan jangan terlalu lama. • Media Penggiling Media penggiling adalah bola-bla milling yang digunakan untuk menghaluskan bubuk. Tipe material yang umumya digunakan untuk media penggiling diantarnya, hardenes steel, tool steel, stainlees steel, hardenes chromium steel, dan lain-lain. Berat jenis dari media penggiling haruslah tinggi, dikarenakan bola-bola mengalami gaya impek terhadap serbuk. Dan harus diperhatikan juga untuk memungkinkan media penggiling mempunyai material yang sama pada ruang milling dan pada bubuk yang dimilling hal ini guna menghindari terjadinya kontaminasi. Ukuran media juga mempunyai pengaruh terhadap efesiensi milling, umunya dikatakan bahwa ukuran yang besar berat jenis yang besar dari media penggiling berguna karena masa yang berat dari bola-bola akan memberikan energi impek yang lebih besar terhadap parikel-partikel serbuk. Tapi kenyataanya dalam beberapa kasus, fasa yang amorf tidak terbentuk dan hanya senyawa Kristal yang terbentuk ketika menggunakan bola-bola yang berukuran besar. Dalam penilitian yang lain melaporkan bahwa fasa amourf terbentuk dengan menggunakan boal-bola milling yang berukuran kecil. Hal ini bisa diungkapkan karena bola-bola yang berukuran kecil akan 17 menghasilkan aksi friksi yang besar ketika proses milling sehingga mendorong untuk terbentuknya fasa amourf. Walaupun umumnya investigasi menggunakan hanya satu ukuran media grinda, tetapi ada juga yang menggunakan ukuran yang berbeda pada invetigasi yang sama. Telah diprediksikan bahwa energi tubrukkan yang besar terjadi ketika menggunakan bola-bola yang berukuran berbeda dan telah dilaporkan bahwa dengan mengkombinasiakan bola-bola besar dan kecil akan selama milling akan meminimalisir jumlah pengelasan dingin dan banyaknya serbuk yang menempel pada permukaan serbuk.walaupun tak ada penjelasan yang spesifik tentang pertambahan yield pada keadaan ini. Tapi ini memungkinkan bahwa ukuran yang berbeda dari bola-bola menghasilkan gaya geser yang membantu tidak menempelnya serbuk pada permukaan bola. Menggunakan media penggiling yang sama akan berputar menghasilkan jalur trek konsekuensinya bola-bola akan berputar sepanjang jalur peluru dari pada mengenai akhir permukaan dengan tidak beraturan. Oleh karena itu dibutuhkan beberapa bola kombinasi antara bola-bola kecil dan beasr agar gerakan bola tidak teratur. • Rasio Berat Bola – Serbuk Rasio berat bola-serbukball-powder weight ratio BPR adalah variabel yang penting dalam proses milling. Rasio berat-serbuk mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap waktu yang dibutuh untuk mencapai fasa 18 tertentu dari bubuk yang dimilling. Semakin tinggi BPR, semakin pendek waktu yang dibutuhkan. Hal ini dikarenakan peningkatan berat bola . tumbukkan persatuan waktu meningkat dan konsekuensinya adalah banyak energi yang ditransfer ke partikel-partikel serbuk dan proses alloying berjalan lebih cepat. Beberapa penelitian yang lain juga melaporkan hasil yang sama. Kemungkinan in dikarenakan energi yang lebih tinggi, semakain banyak panas yang dihasilkan dan ini juga akan merubah sifat dasar bubuk. • Ruang Kosong pada Vial Terjadinya partikel serbuk alloying dikarena adanya gaya impek yang terjadi terhadap serbuk-serbuk itu. Dalam proses milling dibutuhkan tempat yang kosong yang cukup untuk bola-bola milling dan partikel-partikel serbuk bergerak bebas di dalam wadah. Jadi ruang kosong pada vial dengan bola-bola dan serbuk itu penting. Jika jumlah dari bola dan serbuk benyak dan tidak ada cukup tempat untuk bola-bola untuk bergerak, maka energi impek yang dihasilkan sedikit, maka proses pemaduan tidak berjalan secara optimal, dan membutuhkan waktu yang lama. Maka perlu diperhatikan ruang kosong pada vial, dan bisaanya 50 tempat yang kosong yang disediakan untuk proses miling. • Atsmosfer Milling Untuk menjaga terjadinya oksidasi dan kontaminasi selama proses mechanical alloying bisaanya proses MA dilakuakan dalam keadaan atsmofir 19 yang inert atau keadaan vakum pada ball mill. Oleh karena itu serbuk dimilling.didalam wadah yang sudah divakumkan atau diisi dengan gas mulia seperti argon atau helium nitrogen ditemukan apat bereaksi dengan serbuk logam, konsekuensinya nitrogen tidak bisa digunakan untuk mencegah kontaminasi selama milling, tetapi dapat mengurangi terbentuknya nitrida. Atsmofir berbeda telah digunakan selama milling untuk tujuan tertentu. Nitrogen atau atsmofir ammonia telah digunakan untuk menghasilakan nitrida, atsmofir hydrogen digunakan untuk menghasilakn hidrida. Adanya udara dalam vial menunjukkan produksi nitride dan oksida pada serbuk. • Agen control proses Ketika proses milling powder mengalami pengelasan dingin dan penghancuran berulang-ulang. Ditambahkanya agen control proses ke dalam campuran serbuk adalah bertujuan untuk mengurangi pengaruh dari pengelasan dingin, karena kondisi yang esensial untuk berhasilnya proses mechanical alloying adalah terjadi keseimbangan antara pengelasan dingin dan penghancuran karena biasanya keadaan seimbang ini bisa tidak terjadi selama proses milling. PCA atau proses control agen bisa berupa padatan, cairan, atau gas. PCA yang banyak dipakai berupa senyawa organik.yang mana perlaku seperti surface-actvie agent. PCA akan terserap kedalam permukaan serbuk dan meminimalisir terjadinya pengelasan dingin antara 20 partikel-partikel serbuk dan dengan demikian mencegah aglomerasi.surface agent terserap pada pemukaan partikel yang turut tercampur dengan pengelasan dingin dan memperendah tegangan permukaan dari pertikel padat. Selama energi yang dibutuhkan untuk proses fisik pengurangan ukuran, E diberikan oleh E = . ΔS Dimana adalah energi permukan spesifik dan ΔS adalah pertambahan area permukaan. Pengurangan energi permukaan menghasilkan waktu milling lebih pendek dan atau bubuk yang lebih halus. • Temperatur milling Temperatur milling adalah parameter lain yang penting dalam menetukan keadaan dari serbuk milling. Sejak proses difusi mempengaruhi dalam pembentukkan fasa paduan dengan mengabaikan apakah hasil akhir fasanya solid, intermetalic, nanostructure, atau fasa amourf, yang diharapkan bahwa temperatur miling akan memiliki pengaruh yang signifikan pasda sistim paduan apapun. Hanya ada sedikit investigsi yang melaporkan dimana temperatur milling dapat berpengaruh. Penilitian ini dilakukan dengan membasahi cairan nitrogen pada wadah milling untuk memperkecil temperatur atau memasang pemanas elektrik pada vial milling untuk meningkatkan temperatur milling. Penelitian ini dilakukan untuk mempelajari pengaruh temperatur milling atau 21 menetukan apakah fasa amourf dan nanokristalin akan terbentuk pada temperatur yang berbeda. Selama pembentukkan nanokristalin telah dilaporkan bahwa akar kuadrat rata-rata renggangan akan menjadi lebih rendan dan ukuran butiran menjadi lebih besar unhtuk material yang dimilling pada temperatur yang tinggi.

2.4 Reduksi Oksidasi Besi