BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA. digunakan pada proses Hall-Heroult adalah anoda karbon. Karbon yang merupakan

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Anoda Anoda adalah elektroda dengan muatan listrik positif dalam proses elektrolisa. Anoda merupakan elektroda tempat terjadinya reaksi oksidasi (sebagai reduktor). Anoda yang digunakan pada proses Hall-Heroult adalah anoda karbon. Karbon yang merupakan bahan dasar pembentuk anoda akan diubah menjadi karbon dioksida selama proses elektrolisis alumina menjadi alumunium. Anoda karbon berfungsi sebagai reduktor dalam proses eletrolisis alumina. Anoda karbon diproduksi pada pabrik karbon (Carbon plant). Komposisi anoda karbon terdiri dari 60% kokas minyak, 15% coal tar pitch (binder), dan 20% butt (puntung anoda). Sifat-sifat anoda karbon yang dipakai adalah sebagai berikut : 1. Tahan terhadap perubahan panas (heat shock) sehingga sulit retak saat beroperasi pada temperatur tinggi 2. Angka muai panas yang rendah agar anoda sulit terlepas dari tangkai anoda (rod) pada temperatur tinggi

2 3. Konduktivitas panas tinggi agar segera mencapai temperatur tinggi pada proses pemanasan (baking) 4. Konduktivitas listrik yang tinggi (0,0036 0,0091 Ohm.cm) agar aliran listrik efektif Anoda juga berfungsi untuk menghantarkan arus listrik dari sumber arus listrik menuju katoda melalui elektroda. Green Plant adalah proses pembuatan anoda mentah (Green Anode Block), adapun komposisi anoda yaitu coarse 1 (kokas dengan ukuran 5-18 mm) sebanyak 18 %, coarse 2 (kokas dengan ukuran 1-5 mm) sebanyak 29 %, coarse 3 (kokas dengan ukuran 0,5-1 mm) sebanyak 18 % atau dapat disebut juga medium, fine (kokas dengan ukuran 0-0,2 mm) atau disebut juga dengan dash. Tujuan pembuatan anoda di PT. INALUM adalah untuk menyediakan kebutuhan sumber anoda karbon bagi keperluan proses peleburan alumunium dimana anoda sangat mempengaruhi kualitas alumunium yang dihasilkan. Anoda yang digunakan pada peleburan alumunium sesuai dengan proses Hall-Heroult merupakan material karbon. Berdasarkan keperluan anoda untuk proses peleburan alumunium, jenis pot reduksi dibagi menjadi dua jenis yaitu : 1. Sodenberg Anode Furnace (SAF) 2. Prebaked Anode Furnace (PAF) SAF adalah sistem pot yang menggunakan anoda pasta tercetak dalam bentuk briket. Anoda pada sistem ini secara berkesinambungan dan pemanggangan pasta anoda

3 berasal dari panas yang ditimbulkan oleh bath dan dialiri arus listrik pada anoda jenis ini mengalir secara vertikal. Keuntungan SAF adalah : 1. Tidak diperlukannya adanya baking plant dan rodding plant 2. Radiasi sinar panas bagian atas anoda lebih kecil dibandingkan PAF 3. Tidak diperlukan penggantian anoda PAF adalah sistem pot yang menggunakan anoda pasta yang dicetak dan dipanggang (baked) di Anode Baking Furnace pada temperatur o C. Anoda panggang (Baking Block), kemudian diberi tangkai (rod) yang berfungsi sebagai penyangga dan penghantar arus listrik dalam proses elektrolisa. Keuntungan PAF adalah : 1. Dapat dibuat dalam ukuran besar 2. Kemudian pelaksanaan operasi yaitu dengan mekanisasi dan otomisasi 3. Pemakaian listrik yang lebih kecil dibandingkan dengan SAF 4. Kondisi ruangan kerja lebih baik 5. Konsumsi karbon lebih rendah dibandingkan dengan SAF Karbon merupakan bahan baku pembuatan anoda yang terdiri dari coke, butt, dan green scrap sebagai filter serta hard pitch sebagai binder. Material karbon dipilih sebagai anoda dengan alasan sebagai berikut : 1. Memiliki daya panas yang tinggi dimana titik sublimasi mencapai 4200 o C pada 1 atm dan titik leleh mencapai 3700 o C pada tekanan 100 atm. Kekuatan

4 mekanik bahan lebih tinggi pada temperatur yang tinggi dibandingkan pada temperatur yang rendah 2. Konduktifitas elektrik yang tinggi ( Ohm/cm) 3. Konduktifitas panas yang tinggi (sama dengan logam rata-rata) 4. Ekspansi panas yang rendah (0,5 kali tembaga) 5. Ketahanan yang tinggi terhadap perubahan panas yang mendadak 6. Densitas yang rendah yaitu apprent density : 1,4-1,7, Spesific grafity max 2,6 7. Ketahanan yang tinggi terhadap bahan-bahan kimia 8. Harga relatif murah, namun demikian material karbon memiliki kelemahan, karena karbon mudah teroksidasi oleh perlakuan sebagai berikut : a. Oksigen pada temperatur 500 o C b. Karbon dioksida pada temperatur 900 o C c. Air pada temperatur 700 o C 2.2. Katoda Katoda adalah elektroda dengan muatan listrik negatif pada proses elektrolisis. Ditinjau dari bahan baku dan proses pembuatannya, blok katoda dibagi dalam empat jenis yaitu : 1. Blok katoda amorphous, bahan bakunya antrasit, dipanggang pada temperatur 1200 o C 2. Blok katoda semigraphiti, bahan bakunya grafit, dipanggang pada temperatur 1200 o C 3. Blok katoda semigraphitized, bahan bakunya grafit, mengalami proses heat traetment sampai temperatur 2300 o C

5 4. Blok katoda graphitized, bahan bakunya kokas, mengalami proses grafitasi sampai temperatur 3000 o C Pemilihan jenis katoda ditentukan oleh design pot dan arus listrik yang digunakan. Pada pot jenis PAF (Prebaked Anoda Furnace) dengan arus listrik yang tinggi, biasanya digunakan blok anoda graphitized. Reaksi utama yang terjadi di dalam katoda adalah reaksi penangkapan elektron oleh ion alumunium (Al 3+ ) menjadi alumunium (Al), ini diperlihatkan menurut persamaan reaksi sebagai berikut : Al 3+ (s) + 3e - Al (l) 2.3. Alumina Alumina (Al 2 O 3 ) merupakan material keramik non silikat yang paling penting. Material ini meleleh pada suhu 2051 o C dan mempertahankan kekuatannya bahkan pada suhu 1500 sampai 1700 o C. Alumina mempunyai ketahanan listrik yang tinggi dan tahan terhadap kejutan termal dan korosi. Sifat ini membuatnya menjadi material yang baik untuk isolator busi, dan sebagaian besar busi sekarang menggunakan alumina 94 %. Alumina kerapatan tinggi difabrikasikan sedemikian rupa sehingga pori terbuka di antara butirbutirnya nyaris tertutup sempurna, butir-butirnya kecil. Tidak seperti keramik lain, keramik ini memiliki kekuatan mekanis penahan dampak yang baik, yang menyebabkannya digunakan sebagai pelapis baja. Alumina dengan kerapatan tinggi juga digunakan dalam perkakas pemotong berkecepatan tinggi untuk logam permesinan.

6 Jika Al 2 O 3 yang didadah (doped) dengan sedikit MgO dibakar dalam vakum atau atmosfer hidrogen (bukan udara) pada suhu 1800 sampai 1900 o C, pori yang sangat kecil sekalipun yang membaurkan cahaya dan membuat material tampak putih dapat dihilangkan. Keramik yang dihasilkan jadi bening. Alumina (Al 2 O 3 ) diperoleh dari pengolahan biji bauksit dengan proses Bayer. Proses Bayer terdiri dari tiga tahap reaksi yaitu : 1. Proses Ekstraksi Al 2 O 3. xh 2 O + 2 NaOH 2 NaAlO 2 + (x+1) H 2 O 2. Proses Dekomposisi 2 NaAlO H 2 O 2 NaOH + Al 2 O 3.3 H 2 O 3. Proses Kalsinasi Al 2 O 3.3 H 2 O + kalor Al 2 O 3 + H 2 O Pada proses kalsinasi akan dihasilkan jenis alumina sandy jika operasi berlangsung pada temperatur rendah, jenis alumina floury untuk operasi pada temperatur tinggi. PT. INALUM tidak menghasilkan alumina sendiri tetapi diperoleh dari Negara lain terutama dari Australia Alumunium Alumunium diperoleh dari jenis-jenis tanah liat tertentu (bauksit). Bauksit mula-mula dipanaskan lebih dahulu tawas-tawas murninya (oksida alumunium). Setelah itu pada

7 oksida alumunium cair itu dilaksanakan suatu prosedur elektrik. Oleh karena suhu lumer oksida-alumunium sangat tinggi yaitu 2050 o C maka pengolahan alumnium sangat sukar. Logam alumunium mempunyai rumus kimia Al, mempunyai berat jenis 2,6-2,7 dengan titik cair sebesar 659 o C. Alumunium adalah logam lunak. Alumunium lebih keras dari pada timah putih, tetapi lebih lunak dari pada seng. Warna dari alumunium adalah putih kebiru-biruan. Tabel 2.1. Sifat-sifat Fisik dan Kimia dari Alumunium Item Kualifikasi Nomor atom 13 Nomor massa 26,9815 Bentuk kristal (25 o C) Kubus pusat muka Densitas g/cm 3 Struktur atom terluar 3s 2 p 1 Titik leleh (1 atm) 660,1 o C Titik didih (1 atm) 2327 o C Panas peleburan 94,6 kal/g Panas jenis 0,280 kal/g o C (PT. INALUM, 1998) Orang pertama yang telah berhasil memisahkan alumunium adalah H. Davy yaitu pada tahun Pada tahun 1825, H. C. Oersted dapat menghasilkan alumunium yang lebih murni. Pada tanggal 23 April 1886, P. L. T. Heroult dan secara terpisah pada tanggal 9 Juli pada tahun yang sama, C. M. Hall di Amerika, berhasil memproduksi alumunium dengan proses elektrolisis alumina dalam kirolit yang kemudian dikenal dengan proses Hall-Heroult.

8 Alumunium dapat dihasilkan melalui proses elektrolisis. Proses elektrolisis yang dikembangkan untuk produksi industrial adalah proses elektrolisis Hall-Heroult. Proses tersebut merupakan elektrolisis larutan alumina (Al 3 O 2 ) di dalam lelehan kriolit (Na 3 AlF 6 ) pada temeratur 960 o C sehingga dihasilkan alumunium cair Proses Pembuatan Anoda Anoda adalah bahan yang digunakan untuk memisahkan aluminium dari alumina dengan proses elektrolisa. Pembuatan anoda dilakukan dengan beberapa tahap : 1. Proses pencetakan anoda (Green plant) 2. Proses pemanggangan anoda (Baking plant) 3. Proses penangkaian anoda (Rodding plant) Green Plant Green plant adalah pabrik pembuatan anoda mentah (green anoda block) untuk kebutuhan proses elektrolisa di pot reduksi. Proses pembuatan anoda mentah menggunakan beberapa bahan baku, antara lain : 1. Kokas (coke) Kokas adalah bahan yang digunakan untuk membuat anoda yang berasal dari sisasisa destilasi batu bara dan minyak bumi. Kokas yang digunakan sebagai bahan baku pembuatan anoda tersusun dari beberapa material.

9 Tabel 2.2. Spesifikasi minyak kokas NO Parameter unit Guaranted Value HS LS 1 Real Density g/cm 3-2,06-2,06 2 Fixed Carbon % - 99,60-99,30 3 As Content % + 0,25 + 0,25 4 Collatile Meter % + 0,45 + 0,45 5 Mousture Content % + 0,3 + 0,3 6 Sulfur % 2-3 0,5-1 7 Panadium ppm Nikel ppm Silikon ppm Iron ppm Sodium ppm Calcium ppm Bulk Density 1. Vibrated Bulk Density Chaiser Methode (8-14 mesh) g/cm 3-0,80-0,80 GLCC Methode (20-48 mesh) g/cm 3-0,84-0,84 2. Tapped Bulk Density (0,84- g/cm 3-0,85-0,85 1,41 mesh) 14 Particle size 4 mesh over % CO 2 Reactivity lose (1000 o C) % Air Reactivity at 525 o C %/min + 0,30 + 0,2 17 Grand Stability % Spesific Electrical Resistant Micro ohm meter Catatan : * (-) = tidak diperbolehkan dibawah nilai yang ditetapkan * (+) = tidak diperbolehkan diatas nilai yang ditetapkan

10 Tabel 2.3. Spesifikasi kokas pitch NO Parameter Unit Guaranted Value LS 1 Real Density g/cm 3-0,2 2 Fixed Carbon % - 99,10 3 As Content % + 0,4 4 Collatile Meter % + 0,5 5 Mousture Content % + 0,3 6 Sulfur % Panadium ppm Nikel ppm Silikon ppm Iron ppm Sodium ppm Calcium ppm Bulk Density 1. Vibrated Bulk Density Chaiser Methode (8-14 mesh) g/cm 3-0,85 GLCC Methode (20-48 mesh) g/cm 3-0,9 2. Tapped Bulk Density (0,84-1,41 g/cm 3-0,9 mesh) 14 Particle size 4 mesh over % CO 2 Reactivity lose (1000 o C) % Air Reactivity at 525 o C %/min + 0,52 17 Grand Stability % Spesific Electrical Resistant Micro ohm meter + 50 Catatan : * (-) = tidak diperbolehkan dibawah nilai yang ditetapkan * (+) = tidak diperbolehkan diatas nilai yang ditetapkan

11 Pemakaian kokas yang tepat harus sesuai persentase antara High Sulfur (HS) dengan Low Sulfur (LS) agar anoda yang dihasilkan kualitasnya bagus. Dalam pembuatan anoda dilakukan pengayakan sehingga kokas terbagi atas ukuran fisiknya, yaitu : a. Kokas dengan ukuran 18-5 mm disebut kokas kasar 1 (C1) b. Kokas dengan ukuran 5-1 mm disebut kokas kasar 2 (C2) c. Medium adalah kokas dengan ukuran 1-0,2 mm d. Fine adalah kokas dengan ukuran dibawah 0,2 mm 2. Butt (Puntung anoda sisa) Butt adalah sisa anoda setelah digunakan dalam proses reduksi peleburan aluminium ditungku reduksi. Jika butt yang dihasilkan setelah proses elektrolisis banyak, ini menandakan bahwa kualitas anoda tersebut baik karena anoda yang terpakai dalam proses elektrolisis tersebut sedikit, dan sebaliknya jika butt yang dihasilkan setelah proses elektrolisis sedikit, ini menandakan bahwa kualitas anoda buruk. Butt terbagi atas dua ukuran fisiknya, yaitu : a. Butt dengan ukuran 18-3 mm b. Butt dengan ukuran < 3 mm 3. Coal Tar Pitch (CTP) CTP disebut juga dengan binder yang berfungsi sebagai perekat hingga terbentuk pasta. Kualitas CTP yang rendah akan menurunkan kualitas blok anoda yang menyebabkan berkurangnya efisiensi, terganggunya operasi reduksi aluminium, bertambahnya pengotor (impurities).

12 Tabel 2.4. Spesifikasi dari CTP (Coal Tar Picth) No Parameter Unit Guaranter Value 1 Softening Oil o C Fixed Carbon % As Content % + 0,30 4 Toluen Insoluble % Quiline Insoluble % Spesific Grafity g/cm 3-1,30 7 Distillation test F.D o C % Chemical Analysis Sodium ppm Calcium ppm + 80 Silikon ppm Iron ppm Catatan : * (-) = tidak diperbolehkan dibawah nilai yang ditetapkan * (+) = tidak diperbolehkan diatas nilai yang ditetapkan 4. Green skrap Green skrap adalah hasil daur ulang dari produk-produk yang tidak memenuhi standar mutu anoda yang digunakan untuk proses elektrolisa. Green skrap ada dua jenis, yaitu : a. Pasta yang belum layak dicetak karena tidak memenuhi spesifikasi b. Green Block (GB) yang rejected misalnya porositas, retak, tinggi yang tidak sesuai, sompel, dan pecah.

13 Selain menggunakan bahan baku diatas pembuatan anoda juga menggunakan minyak. Minyak yang digunakan antara lain : 1. Minyak Marlotherm Minyak Marlotherm adalah minyak yang digunakan untuk memanaskan CTP. Minyak Marlotherm juga digunakan sebagai media pemanas preheater dan kneader. 2. Minyak Berat (Heavy Oil) Minyak ini digunakan untuk memanaskan minyak Marlotherm. Selain itu juga digunakan untuk bahan bakar pada saat proses pemanggangan GB (Green Block) Baking Plant Baking plant adalah tempat untuk memanggang Green block (anoda mentah) yang berasal dari Green plant. Tujuan pemanggangan untuk mengkalsinasi pitch yang ada didalam Green block (GB) yang kemudian pitch tersebut akan membentuk ikatan dengan kokas dan butt. Bahan baku utama anoda panggang (Baked block) adalah blok anoda mentah yang dihasilkan oleh Green plant. Pabrik pemanggangan terdiri dari 2 gedung yaitu gedung A dan gedung B. Gedung A terdiri dari 2 bagian yaitu gedung A1 dan gedung A2. Demikian juga gedung B terdiri dari 2 bagian yaitu gedung B1 dan B2. Jumlah seluruh tungku pemanggangan di Baking plant adalah 106 tungku. Gedung pemanggangan (Baking plant) mempunyai 7 rantai bakar : 1. Gedung A1 terdiri dari 2 rantai bakar 2. Gedung A2 terdiri dari 2 rantai bakar

14 3. Gedung B1 terdiri dari 2 rantai bakar 4. Gedung B2 terdiri dari 1 rantai bakar Dimana 1 rantai bakar tediri dari 15 furnace (tungku) dan khusus di B2, 1 rantai bakar untuk 16 furnace. Sistem pengaturan operasi firing adalah sebagai berikut : 1. 4 tungku tertutup : mengalami preheating tungku tertutup : mengalami firing tungku tertutup : mengalami cooling 4. 4 tungku terbuka : mengalami pengeluaran BB dan pemasukan GB serta perawatan tungku. Proses pemanggangan anoda meliput i tiga tahap penting : 1. Preheating (pemanasan awal) Preheating merupakan pemanasan awal dengan temperatur yang dimulai pada temperatur ( ºC) hingga temperatur ( ºC). Setelah mencapai temperatur tersebut, proses berlanjut ke tahap berikutnya. 2. Firing (pembakaran) dan Soaking Tahap firing dimulai pada temperatur ( ºC) hingga mencapai temperatur ( ºC). Tahap soaking yaitu menjaga temperatur ( ºC). 3. Cooling (pendinginan) Pada tahap ini BB (Baked block) yang telah dipanggang mengalami pendinginan dari temperatur ( ºC) sampai temperatur ( ºC) Pada proses firing, tungku pemanggangan mendapatkan panas ºC dengan bantuan alat pembakaran Bosch Pump yang didalamnya terdapat minyak berat

15 (Heavy Oil) yang akan membantu proses pemanggangan GB. Jumlah produksi anoda (BB) yang dihasilkan dapat dihitung dengan formula sederhana. M = H Fp n.y. Dimana : M adalah BB production dalam anoda panggang H adalah waktu (jam) dalam satu hari Fp adalah fire progression (laju pembakaran dalam jam) n adalah jumlah anoda dalam 1 tungku Y adalah rantai bakar yang beroperasi adalah efisiensi operasi pemanggangan (0,995 %) Fire Progression 36 jam M (BB production) = x 75 x 30 x 2 x 0,995% = 2985 anoda panggang Rodding Plant Rodding plant adalah pabrik penangkaian anoda, dimana anoda Baked block (BB) dirakit dengan dengan menggunakan cast iron hingga menjadi Anoda Assembly. Ditungku reduksi, anoda merupakan elektroda positif dalam proses elektrolisa sedangkan rod berfungsi sebagai penghantar listrik dari busbar ke anoda. Pabrik penangkaian terletak pada tahap akhir produksi anoda untuk digunakan di tungku reduksi. Proses produksi di Rodding plant terdiri dari beberapa operasi yaitu :

16 1. Casting Casting adalah proses penuangan besi tuang atau cast iron untuk menyambung rod dengan Baked block (BB). 2. Induction Furnace Induction Furnace merupakan dapur untuk memproduksi cast iron. Cast iron merupakan paduan besi dan karbon. Dimana persentase dari karbon tersebut mencapai 3-4 %. 3. Aluminium Spray Anode Assembly akan dilapisi Aluminium spray. Pelapisan ini bertujuan agar tidak terjadi kontak dengan udara yang mengakibatkan terjadinya oksidasi. Jumlah aluminium yang digunakan kira-kira 12 kg/anode assembly. 4. Anode Transport Car (ATC) Anode Transport Car (ATC) adalah kendaraan khusus yang digunakan untuk mengirimkan Anoda assembly ke gedung reduksi dan mengambil Butt assembly dari gedung reduksi. 5. Crust dan Butt System Crust dan Butt system adalah proses daur ulang crust dan butt yang diterima dari gedung reduksi. Pemecahan crust berfungsi untuk memecah crust menjadi ukuran 50 mm dan 30 mm sedangkan pemecahan butt berfungsi untuk memecah butt menjadi ukuran 150 mm dan 8 mm. 6. Press System Press system berfungsi untuk membersihkan crust yang masih lengket di butt dengan bantuan tembakan shot particle selama tiga kali putaran.

17 Kategori Rod reject terdiri dari : a. Deformasi, kerusakan pada dimensi tangkai b. Sticking, kerusakan akibat lengketnya timbel terlalu kuat c. Erosi (melt away), kerusakan akibat pengikisan d. Crack, kerusakan yang diakibatkan oleh retaknya daerah yoke dan stub e. Spark, pengikisan pada tangkai f. Bengkok, bila bagian tangkai tidak simetris g. Mig welding, kerusakan akibat retaknya las-lasan antara BA clad dan rod h. BA Clad, putusnya sambungan material aluminium dengan besi i. Elongation, kerusakan pada stub yang disebabkan oleh faktor usia 2.6. Proses Elektrolisis Alumunium Logam alumunium adalah logam kedua yang dikomersilkan setelah besi didunia. Produksi logam adalah 1,5 x kg (16 juta ton) tiap tahun. Bahan dasar yang penting dari alumunium adalah Bauksit (bauxite), bauksit tidak sepenuhnya terdiri dari alumina (aluminium oksida), tetapi juga terdiri dari oksida besi, silikon dan titanium serta beberapa material silika yang bervariasi. Selain itu Al juga terdapat hidrat oksida yaitu Al 2 O 3. xh 2 O. Dimana nilai x bervariasi tergantung pada partikel mineral yang ada dan digunakan sebagai produksi alumunium. Elektrolisis adalah peristiwa kimia yang melibatkan dua atau lebih spesies kimia yang berbeda, yang terjadi pada kedua elektroda (anoda dan katoda), dan berlangsung bila aliran listrik searah, DC (Direct Current), dialirkan kedalam suatu pelarut elektrolit. Reaksi yang terjadi pada persamaan adalah reaksi sebagai berikut :

18 2Al 2 O 3 (s) + 3C (s) 4Al (l) + 3CO 2 (g) Mekanisme yang terjadi dalam proses tersebut adalah alumina diumpankan ke dalam elektrolit dan terpisah ion alumunium yang bermuatan positif (Al 3+ ) dan ion oksigen yang bermuatan negatif (O 2- ). Arus searah dialirkan ke dalam tia-tiap sel, sehingga menggerakkan ion-ion menuju arah yang berlawanan. Ion oksigen bergerak kearah anoda, lalau bereaksi dengan karbon membentuk karbondioksida (CO 2 ), sedangkan ion alumunium bergerak kearah katoda, lalu akan kehilangan muatannya membentuk alumunium (Al). Reaksi alumina yang terjadi pada saat proses elektrolisa adalah sebagai berikut : 2Al 2 O 3 (s) 4Al 3+ (l) + 6O 2+ 9g) Reduksi (katoda) : 4Al e 4Al Oksidasi (anoda) : 6O 2-3O e 3C + 3O 2 3CO 2 + Total : 2Al 2 O 3 (s) + 3C (s) 4Al (l) + 3CO 2 (g)