PIROMETALURGI

A. Definisi Pirometalurgi

Menurut Kirk-Othmer metalurgi ekstraktif adalah ilmu yang mempelajari

cara-cara pengambilan (ekstraksi) logam dari bijih (ore = naturally occuring

compounds) dan proses pemurniannya, sehingga sesuai dengan syarat-syarat

komersial. Metalurgi ekstraktif dibagi menjadi 3 (tiga) jalur dan salah satunya

yaitu Piro metalurgi (pyro metallurgy) yang dalam proses ekstraksinya

menggunakan energi panas yang tinggi (bisa sampai 2.000oC).

Pirometalurgi merupakan Suatu proses ekstraksi metal dengan memakai

energi panas. Suhu yang dicapai ada yang hanya 50o 250o C (proses Mond untuk

pemurnian nikel), tetapi ada yang mencapai 2.000o C (proses pembuatan paduan

baja). Yang umum dipakai hanya berkisar 500o 1.600o C ; pada suhu tersebut

kebanyakan metal atau paduan metal sudah dalam fase cair bahkan kadang-

kadang dalam fase gas.

Umpan yang baik adalah konsentrat dengan kadar metal yang tinggi agar

dapat mengurangi pemakaian energi panas. Penghematan energi panas dapat

juga dilakukan dengan memilih dan memanfaatkan reaksi kimia eksotermik

(exothermic). Sumber energi panas dapat berasal dari :

1. Energi kimia (chemical energy = reaksi kimia eksotermik).

2. Bahan bakar (hydrocarbon fuels) : kokas, gas dan minyak bumi.

3. Energi listrik.

4. Energi terselubung/tersembunyi (conserved energy = sensible heat), panas

buangan dipakai untuk pemanasan awal (preheating process).

B. Pirometalurgi Ferrous

Logam ferro adalah adalah logam besi(Fe). Besi merupakan logam yang

penting dalam bidang teknik, tetapi besi murni terlalu lunak dan rapuh sebagai

bahan kerja, bahan konstruksi dll. Oleh karena itu besi selalu bercampur dengan

unsur lain, terutama zat arang/karbon (C).

Logam ferro juga disebut besi karbon atau baja karbon. Bahan dasarnya

adalah unsur besi (Fe) dan karbon ( C) , tetapi sebenarnya juga mengandung

unsur lain seperti : silisium, mangan, fosfor, belerang dan sebagainya yang

kadarnya relatif rendah. Unsur-unsur dalam campuran itulah yang

mempengaruhi sifat-sifat besi atau baja pada umumnya, tetapi unsur zat arang

(karbon) yang paling besar pengaruhnya terhadap besi atau baja terutama

kekerasannya

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 1. Proses Pirometalurgi Besi

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.

C. Pirometalurgi Non Ferrous

Logam non ferrous atau logam bukan besi adalah logam yang tidak

mengandung unsur besi (Fe). Logam non ferrous kebanyakan tidak digunakan

begitu saja tanpa dipadukan dengan logam lain, karena biasanya sifat-sifatnya

belum memenuhi syarat yang diinginkan. Kecuali logam non ferrous murni,

platina, emas dan perak tidak dipadukan karena sudah memiliki sifat yang baik,

misalnya ketahanan kimia dan daya hantar listrik yang baik serta cukup kuat,

sehingga dapat digunakan dalam keadaan murni. Tetapi karena harganya mahal,

ketiga jenis logam ini hanya digunakan untuk keperluan khusus. Misalnya dalam

teknik proses dan laboratorium di samping keperluan tertentu seperti perhiasan

dan sejenisnya.

Logam bukan besi/non ferro ini ditambang dalam bentuk bijih-bijihan,

akan tetapi tidak dalam keadaan murni melainkan bercampur dengan unsur-

unsur lain. pada umumnya bijih-bijih logam ini terdiri atas logam (0,5-20%)

dengan batu-batuan (kapur dan pasir) yang secara kimiawi terikat dengan

oksigen, belerang serta karbon dioksida.

Bijih-bijih logam yang yang diperoleh dari hasil penambangan terlebih

dahulu dipecah menjadi bagian-bagian kecil. Pecahan-pecahan tersebut

kemudian digiling halus, untuk selanjutnya dicampur dengan minyak dan air

diaduk hingga antara tepung, minyak dan air tercampur dengan baik, kemudian

ditenangkan. Minyak akan mengikat logam dan belerang yang akan berada di

bagian atas adonan, sedangkan air akan mengikat lumpur dan kotoran lain yang

berada di bagian bawah adonan. Setelah dipisahkan antara yang ada di bagian

bawah dengan bagian atas, campuran lumpur dan air dibuang. Campuran antara

minyak, logam dan belerang tersebut kemudian dipanasi dengan udara panas

untuk menghilangkan belerang hingga diperoleh logam oksid.

Bijih logam yang sudah diproses menjadi logam oksid dimasukkan ke

dalam dapur api untuk mereduksi oksigennya dalam suatu proses dioksidasi

dalam dapur tersebut. Logam oksid dipanasi hingga cair belerang yang tersisa

juga ikut terbakar pada saat yang sama. Kandungan-kandungan yang lain

misalnya silikon dan besi dioksidasikan menjadi terak yang mengapung di atas

cairan logam kemudian teraknya dipisahkan. Maka diperoleh cairan logam

dengan kadar kemurnian 99%.

Pengolahan logam non ferrous ini pada dasarnya hampir sama dengan

pengolahan logam ferrous (pengolahan dengan cara pirometalurgi). Tahap

pemekatan, reduksi dan pemurnian. Namun ada beberapa hal yang

membedakan, diantaranya adalah proses pada reduksi pirometalurgi non

ferrous, contohnya pada tembaga yang harus melarutkan dan meleburkan hasil

pemanggangan (kalsin) yang kemudian akan menghasilkan matte lalu di

koversikan. Hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan tembaga yang meiliki kadar

tinggi. Hal ini juga berlaku pada logam non ferrous Nikel yang pada proses

pengolahannya hampir sama.

Gambar 2. Skema Pemurnian tembaga pada system dapur panas

Gambar 3. Pembuatan Tembaga

Berbeda halnya pengolahan timah hitam dengan pirometalurgi,

Kompleksitas dari pembuatan timah hitam, dimana konsentrat timah hitam yang

hanya mengandung (65 s/d 80) % Pb, harus di panggang terlabih dahulu untuk

menghilangkan sulfida-sulfida. Sebelum dilakukan proses sintering, maka batu

kapur, bijih besi, pasir dan terak dicampur dengan konsentrat timah, akibat sinter,

oksida sulfur akan menguap dan di tampung untuk diolah menjadi asam sulfat,

kemudian dimasukkan kedalam tanur tinggi dengan bahan bakar kokas. Gas dan

debu tanur tinggi ini masih mengandung klorida kadmium yang kelak dapat

diolah tersendir untuk menjadi kadmium murni. Muatan yang ada di dalam tanur

tinggi di sebut: bullion yang kemudian di dros, menghasilkan dross tembaga yang

akan terapung dan mengikat belerang, sehingga memudahkan pemisahan

tembaga dan dross. Setelah diperoleh timah cair, maka kemudian di alirkan ke

dalam dapur pelunakan (ketel desilverisasi) agar timah cair teroksidasi.

Didalam dapur pelunakan, akan terjadi terak yang mengandung antimon

dan arsen. Kedalam   ketel  yang berisi timah cair tersebut, di tambahkan seng

dan emas, tujuan nya, agar bila perak masih ada, maka akan bisa larut bersama-

sama dengan seng, dimana kemudian uap nya ditampung untuk menghasilkan

seng padat. Cairan yang tersisa, diolah secara elektrolisa untuk menghasilkan

emas dan perak. Timah cair yang ada didalam ketel dimurnikan terlebih dahulu,

baru kemudian dicampur dengan soda api, sehingga seng akan terpisah.  Hal ini

dilakukan dengan cara menginjeksikan pancaran timah panas kedalam ruang

vakum, akibat nya seng akan menguap. Pada akhirnya, kotoran-kotoran yang

masih ada bercampur dengan timah, dipisahkan secara kimia, sehingga

diperoleh timah cair murni, yang kemudian dicor menjadi timah ingot dengan

berat standard 25 kg atau 90 kg.

Gambar 4. Pembuatan Timah Hitam

D. Pirometalurgi Tahap Matte Smelting Pada Tembaga

Pada tahap ini konsentrat tembaga dilebur menjadi lelehan matte. Proses

peleburan dilakukan dalam suasana yang oksidatif. Proses ini menghasilkan

lelehan matte, lelehan slag dan gas buang. Matte merupakan lelehan sulfida

yang kaya akan tembaga dengan mengandung sedikit besi sedangkan slag

adalah lelehan yang terdiri dari campuran oksida besi dan oksida logam pengotor

serta fluks (silika). Proses smelting ini menghasilkan matte dengan kandungan

tembaga sekitar 45 – 75 persen. Suasana oksidatif dalam tanur peleburan

diperoleh dengan menginjeksikan udara yang diperkaya oksigen atau oxygen-

enriched air.

Pada tahap konversi matte, matte dikonversi menjadi tembaga blister

atau blister copper. Pada tahap ini, matte dioksidasi menjadi tembaga blister, dan

kandungan tembaga naik menjadi sekitar 90 persen. Umumnya proses

converting dilakukan dalam Peirce-Smith Converter. Ke dalam concerter

dihembuskan udara melalui sejumlah tuyeres yang terendam dalam lelehan

(submerged tuyeres). Pada Proses converting ini ditambahkan juga oksigen

murni, silika sebagai uks, revert dan scrap. Slag yang dihasilkan mengandung

besi-silika.

Dan tahap selajutnya adalah fire refining. Fire refining adalah proses

pemurnian yang dilakukan terhadap tembaga blister. Proses fire refining

dilakukan dalam rotary furnace, reverberatory furnace atau hearth furnace.

Tahapan ini dilakukan dalam 2 tahap. Tahap satu adalah oksidasi selektif

terhadap sulfur dan elemen pengotor lainnya, dan tahap kedua adalah

deoksidasi untuk penurunan kandungan oksigen dalam tembaga. Proses fire

refining mampu menghasilkan logam tembaga yang memiliki kandungan

tembaga sekitar 99%.

Gambar 5. Reverberatory Furnace

Peleburan matte adalah peleburan netral, tujuannya memisahkan besi

oksida yang terbentuk pada pemanggangan oksidasi parsial dari sulfida tembaga

(Cu2S). Oleh karena itu sering dianggap sebagai proses pelelehan (“melting”),

meskipun sesungguhnya terjadi reaksi kimia juga.

Reaksi utama : xFeO + ySiO2 = (FeO)x(SiO2)y (terak)

Reaksi samping : Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

Pada proses peleburan matte terjadi pemerolehan kembali tembaga yang

ikut teroksidasi pada proses pemanggangan, dan pemisahan dan pengikatan

oksida besi ke dalam terak

E. Pirometalurgi Oksida

Untuk menghasilkan logam dari bijihnya, diperlukan suatu proses

ekstraksi metalurgi. Karena di alam bijih logam umumnya dalam bentuk oksida

dan sulfida, maka untuk menghasilkan logam diperlukan reaksi reduksi dan

oksidasi. Syarat utama agar logam dapat dihasilkan langsung dengan cara

oksidasi senyawa sulfidanya adalah bahwa oksidanya relatif kurang stabil

dibandingkan SO2. Logam-logam yang memiliki ciri tersebut adalah Ag, Cu, Hg,

Pb dan kelompok logam-logam platinum. Sifat termodinamika ini dimanfaatkan

dalam praktek, khususnya pada pirometalurgi tembaga.

EKSTRAKSI TIMBAL DENGAN OKSIDASI LANGSUNG PbS

Timbal umumnya dihasilkan dari peleburan reduksi kalsin PbO di dalam tanur

tegak

Dalam skala kecil Pb dapat pula dihasilkan secara langsung dengan cara

oksidasi mineral sulfidanya (galena: PbS), menghasilkan leburan Pb, yang

dikenal sebagai “Newnham Hearth Process” atau “Ore Hearth Process”

Reaksi Umum:

PbS + O2 = Pb + SO2

Dari Diagram Kellogg untuk Pb-S-O terlihat adanya daerah-daerah kestabilan

senyawa-senyawa oksi-sulfat Pb (sulfat basa) sehingga reaksi pembentukan

logamnya berlangsung secara bertahap melalui PbSO4.PbO, PbSO4.2PbO,

PbSO4.PbO atau PbSO4.4PbO

EKSTRAKSI TEMBAGA

Tujuan utama proses ekstraksi tembaga melalui jalur pemanggangan

oksidasi parsial – peleburan matte – converting adalah untuk memisahkan

tembaga dari pengotor besi

Pemanggangan oksidasi parsial

Dimaksudkan untuk mengubah sebagian besar sulfida besi menjadi oksida

dengan tetap mempertahankan tembaga sebagai sulfidanya (oksidasi

selektif).

Peleburan Matte

Peleburan matte adalah peleburan netral

Tujuannya memisahkan besi oksida yang terbentuk pada pemanggangan

oksidasi parsial dari sulfida tembaga (Cu2S). Oleh karena itu sering

dianggap sebagai proses pelelehan (“melting”), meskipun sesungguhnya

terjadi reaksi kimia juga.