TERMODINAMIKA METALLURGI Termodinamika proses metalurgi termasuk Termodinamika metalurgi dan berbagai proses metalurgi terkait interaksi antara sistem. Untuk pembuatan baja, yang terlibat termasuk sistem terak metalurgi, baja cair, tahan api, fluks metalurgi dan gas, dan pendinginan yang dihasilkan inklusi baja cair. Untuk proses metalurgi, termasuk pembakaran, meniup oksidasi, pemurnian oksidasi dan terak - baja antara berbagai reaksi. Ketika mempelajari blast furnace, sistem metalurgi diperluas untuk bijih besi, kokas dan besi cair, proses metalurgi meningkatkan solusi kue, sintering, sistem pelletizing, mengurangi peleburan dan slag beberapa reaksi antara besi. Ketika mempelajari metalurgi non-ferrous, sistem metalurgi meleleh diperluas untuk matte, terak kuning, garam cair, dan garam dan sistem pelarut organik dan resin pertukaran ion, proses pemanggangan metalurgi Sejalan meningkat, membuat matte peleburan, klorida, pencucian, curah hujan , elektrolisis, ekstraksi pelarut dan pertukaran ion. Jelas, studi tentang sistem yang kompleks termodinamika metalurgi dan berbagai proses metalurgi interaksi antara sistem yang relevan adalah tugas kompleks sangat sulit. Dari sudut pandang termodinamika, isi metalurgi termodinamika hukum aksi massa dapat dibagi lagi, energi bebas, entalpi, entropi, aktivitas, persamaan Gibbs-Duhem, kelarutan, koefisien partisi, diagram fasa dan sebagainya. Pirometalurgi, entalpi bebas diagram suhu (juga dikenal sebagai potensi diagram oksigen atau Elligham-Richard-son gambar) menunjukkan serangkaian senyawa logam entalpi bebas standar dan ketergantungan suhu, yang dapat menambah stabilitas relatif berbeda membuat perbandingan kuantitatif, dan digunakan untuk menghitung konstanta kesetimbangan untuk reaksi metalurgi. Untuk hidrometalurgi, diagram Potensi-pH (juga dikenal sebagai diagram Pourbaix) menunjukkan berbagai logam padat dan terlarut dalam larutan senyawa dari kesetimbangan termodinamika, dapat memberikan gas fase keseimbangan zat terlarut. Angka pada logam bawah mengingat kondisi pencucian atau erosi memiliki referensi tertentu dan nilai aplikasi. Penerapan dalam reaksi metalurgi dapat dilakukan untuk membuat lebih lengkap dan dilakukan, dari sudut pandang termodinamika pandang dapat menggunakan metode berikut: ① Pilih kondisi reaksi yang sesuai, entalpi bebas standar variabel menjadi lebih negatif sejauh mungkin, ② meningkatkan reaksi kegiatan substansi, ③ mengurangi aktivitas dari produk reaksi. Tugas Metalurgi pekerja adalah untuk berlatih dalam penggunaan pandai produksi prinsip-prinsip ini dalam rangka mencapai tujuan yang telah ditetapkan tertentu.
Di Hall (CMHall) aluminium metode elektrolit ditemukan sebelum Cowles bersaudara (Cowles) lebih dulu menemukan metode pengurangan karbon untuk mempersiapkan paduan tembaga, pada penerapan termodinamika metalurgi atas. Tinggi karbon ferrochrome peleburan baja karbon sebagai bahan baku, dan didasarkan pada termodinamika metalurgi, suhu digunakan untuk meningkatkan metalurgi bertiup argon dicampur dengan oksigen untuk mencapai, dalam kondisi seperti itu, karbon dapat teroksidasi prioritas kromium. Selain itu, metode pengurangan hidrometalurgi hidrogen tekanan tinggi diterapkan
pada
praktek
produksi
termodinamika
metalurgi
contoh.
Pembuatan baja Pembuatan baja awalnya kerajinan melalui metalurgi studi termodinamika berkembang menjadi ilmu. Misalnya, Kerber (? FK RBER) dan Oelsen (W.Oelsen) ditemukan dalam terak besi oksida (FeO) dan baja di [Mn] dari reaksi berikut: (FeO)
[Mn]
─
→
(MnO)
[Fe]
(a)
kesetimbangan
konstan
(2)
Bukan dengan terak FeO, MnO perubahan konten relatif, sistem FeO-MnO yang diperoleh adalah solusi kesimpulan yang ideal. Tinjauan penelitian termodinamika dalam pengembangan proses metalurgi, Schenck (H.Schenck), Chipman (J.Chipman), Elliott (JFElliott) semua membuat kontribusi penting, dan terutama Chipman serangkaian kerja yang sistematis kebanyakan orang terpuji. Kompilasi data dalam termodinamika metalurgi ada banyak aspek monograf dan mempublikasikan, misalnya, Elliot dan Gl (M. Gleiser) dari "baja termokimia" Kuba Krzyzewski (O.Kubas-chewski), Evans (ELEvans) dan Alcock "Metalurgi Termokimia" dan seterusnya. Sejak 1970-an, pembangunan adalah untuk membangun database termokimia dan dapat diambil dan diproses oleh komputer, yang sangat dapat mempercepat kecepatan perhitungan. Institut Metalurgi Kimia pada tahun 1979 untuk membangun database termokimia anorganik. China Metallurgical Pekerja dikombinasikan fluor Baotou bijih besi tanur peleburan tes pada tindakan fluoride dalam peleburan dan fluor yang mengandung blast furnace slag sifat termodinamika dari penelitian yang lebih mendalam. Sebagai contoh, terak dan gas campuran pendekatan yang seimbang H2O-HF antara tanur fluor yang mengandung terak penentuan komponen dalam kegiatan ini. Namun, pengolahan data, itu harus dari aktivitas CaO dan CaF2 kedua rasio aktivitas dihitung, yang biasanya harus dimodifikasi persamaan Gibbs-Duhem. Untuk sistem biner, memperoleh alternatif persamaan Gibbs-Duhem adalah (3) sampai batas tertentu, telah memperkaya isi termodinamika metalurgi. Rumus di atas a1,
a2 mewakili komponen sistem biner dalam pertama dan kedua kegiatan, N2 adalah fraksi mol komponen kedua. Selain itu, karena banyak Baotou mineral langka yang mengandung bijih besi, langka bumi daur ulang dan aplikasi menjadi isu penting, Cina Pekerja Metalurgi di daerah
ini
untuk
banyak
pekerjaan
penelitian
termodinamika.
Kontribusi Termodinamika Metalurgi Dengan Ore polimetalik dan semakin pentingnya bijih ramping, termodinamika metalurgi juga semakin menunjukkan peran penting. Sebagai contoh, agen ekstraksi koefisien partisi baru dan penerapan hasil penelitian telah menyebabkan Cina Jinchuan tambang nikel dalam pemanfaatan komprehensif mencapai hasil ekonomi yang baik. Termodinamika proses metalurgi dapat terus meningkatkan kemurnian logam, seperti baja, kandungan sulfur selalu sangat sedikit, sekarang dikurangi menjadi beberapa ratus ribuan. Oleh karena itu, kita bisa mengharapkan, termodinamika metalurgi juga dapat pemurnian logam murni dan semikonduktor untuk berkontribusi dalam hal ini kotoran biasanya beberapa bagian per juta (ppm) atau bagian per miliar (ppb) untuk mewakili. Umum digunakan dalam pembuatan baja proses termodinamika CO dan keseimbangan ekuilibrium H2-H2O telah diterapkan untuk silikon,
germanium,
indium
dari
pemurnian.
PENERAPAN TERMODINAMIKA 1. Termodinamika Reduksi Bijih Besi Termodinamika menjawab apakah suatu reaksi di dalam proses reduksi bijih besi oleh reduktor batubara dapat berlangsung. Dengan melihat nilai perubahan energi bebas Gibbs standard (ΔG0) pada setiap kemungkinan reaksi yang terjadi, dapat diketahui apakah reaksi tersebut dapat berlangsung atau tidak. Jika nilai ΔG 0 adalah negatif maka reaksi tersebut dikatakan berlangsung yang artinya adalah reaksi akan berlangsung ke arah produk. Sebaliknya ketika nilaiΔG0 adalah positif maka reaksi tidak berlangsung atau reaksi akan berlangsung ke arah reaktan. Perubahan ΔG0 dapat diperhitungkan melalui persamaan sebagai berikut [Habashi., 1968] : ΔG0 = ΔH0 – TΔS0 ...........................................................(1) Pada persamaan (10) dapat dijelaskan bahwa ΔG0 adalah perubahan sejumlah energi entalpi standard (ΔH0) dikurangi dengan perubahan entropi standard (ΔS0) pada temperatur tertentu. Karakteristik bijih besi yang dicirikan dengan sejumlah pengotor seperti SiO2, Al2O3 dan Cr2O3 dapat mengganggu jalannya proses reduksi. Secara termodinamika pengotor-
pengotor tersebut tidak dapat direduksi oleh CO walaupun temperatur reduksi dinaikkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1
Gambar 1 Diagram Ellingham untuk kestabilan SiO2, Al2O3, Cr2O3, NiO dan CoO [Rosenqvist.,1983] Pada Gambar 1 diperlihatkan bahwa garis kurva 2CO + O 2 = CO2 (a) tidak akan bersinggungan dengan garis pembentukkan SiO2, Al2O3 dan Cr2O3. Hal ini mengindikasikan bahwa oksida-oksida tersebut tidak dapat direduksi oleh gas CO walaupun temperatur dinaikkan karena ΔG0selalu bernilai positif, seperti yang diperlihatkan pada persamaan reaksi berikut [Rosenvqist., 1983]: SiO2 + 2CO → Si + 2CO2
ΔG01273 = + 81,3 Kkal .............(2)
Al2O3 + 3CO → 2Al + 3CO2 ΔG01273 = + 66,35 Kkal ...........(3) Cr2O3 + 3CO → 2Cr + 3CO2 ΔG01273 = + 190,1 Kkal ...........(4) Jika pengotor tersebut membentuk ikatan dengan Fe dan ditambah dengan kadarnya yang tinggi maka akan mengurangi reducibility pada bijih besi Karakteristik bijih besi ditandai juga dengan kandungan logam pengotor seperti Ni dan Co. Adapun Ni dan Co yang masih dalam bentuk oksida dapat tereduksi oleh CO. Seperti yang diperlihatkan pada
Gambar 1. bahwa kurva oksidasi Ni dan Co berada diatas kurva
(a), sehingga ΔG0 reduksi NiO dan CoO oleh CO akan bernilai negatif, seperti yang ditunjukkan pada persamaan berikut [Rosenvqist., 1983]: NiO + CO → Ni + CO2
ΔG01273 K : - 12,55 Kkal .................(5)
CoO + CO→ Co + CO2
ΔG01273 K : - 6,57 Kkal ...................(6)
Berlangsungnya reduksi NiO dan CoO pada saat proses reduksi akan menyebabkan terganggunya reduksi besi oksida oleh CO Karena secara termodinamika afinitas CO akan lebih
cenderung mereduksi
Fe3O4ataupun
NiO
dan
CoO
dibandingkan
dengan
FeO. Seperti yang diperlihatkan pada persamaan berikut [Rosenvqist.,
1983]: 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
ΔG01273 K = -24,19 Kkal ..........(7)
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
ΔG01273 K = - 4,46 Kkal ..............8)
FeO + CO → Fe + CO2
ΔG01273 K = +2,01 Kkal ..............(9)
2. GIBBS FREE ENERGI Gibbs free energy (G) adalah energi termodinamik dari suatu sistem yang dapat diubah menjadi usaha/kerja pada T dan P konstan. G A + PV Gibbs free energy mencapai nilai maksimum jika prosesnya berupa reversible process. G = A + PV Diferensial: dG = dA + d(PV) =– S dT – P dV + P dV + V dP dG = – S dT + V dP Untuk sistem tertutup pada T dan P konstan dGT,P 0 Proses Elektrolisis Aluminium Aluminium sebagai salah satu unsur logam yang terdapat berlimpah di alam dan merupakan unsur terbanyak ketiga setelah oksigen. Unsur ini sangat reaktif
sehingga
di
alam
tidak
pernah
ditemui
aluminium
dalam
keadaan native. Di alam aluminium berupa oksida, diantaranya adalah bauksit (Al2O3.H2O) dan oksida ini sangat stabil sehingga tidak dapat direduksi seperti logam – logam lain. Reduksi aluminium hanya dapat dilakukan dengan elektrolisis. Namun sebelum proses elektrolisis aluminium terlebih dahulu melewati proses bayer yaitu proses pelepasan senyawa hidrat dari bauksit hingga terbentuk alumina, yang kemudian akan dielektrolisis dengan proses HallHeroult, spesifikasi alumina sebagai bahan baku utama proses Hall-Heroult.
Tahapan proses bayer: 1.
Ekstraksi: Al2O3.xH2O + 2 NaOH
2.
= 2 NaAlO2 + (x + 1)H2O…….(1)
Dekomposisi 2 NaAlO2 + 4 H2O
3.
=
2 NaOH +Al2O3.3H2O………………..(2)
Kalsinasi Al2O3.3H2O
=
Al2O3 + H2O………………………...……….(3)
Selain alumina bahan baku lainnya adalah soda abu (Na2CO3) dan aluminium florida (AlF3) dan kriolit (Na3AlF6), gas HF serta beberapa campuran lain sebagai pemadu dengan kadar tertentu. Untuk proses elektrolisis, elektroda yang digunakan pada masing-masing kutub adalah karbon dengan keadaan dan sifat berbeda pada anoda dan katoda. Adapun cairan elektrolit yang digunakan adalah kriolit (Na3AlF6) yang lebih dikenal dengan sebutan bath. Sel elektrolisa pada reduction plant ini terbuat dari steel yang dilapisi refractory pada bagian dalamnya. Reaksi Penangkapan Gas HF Gas HF dapat terbentuk selama proses elektrolsis. Reaksi pembentukan gas HF adalah sebagai berikut: Na3AlF6(I) + 3/2 H2
=
Al(l) + 3NaF(l) + 3 HF....................(4)
Potensial listrik 1,53 volt pada suhu operasi. Gas HF juga dapat terbentuk melalui reaksi: 2AlF3(l) + 3H2O
=
Al 2O3(l) + 6HF....................................(5)
Gas HF selanjutnya akan bereaksi dengan alumina (Al2O3).
Reaksi Anodik
Dalam proses elektrolisis reaksi yang dapat terjadi pada anoda adalah: C(s) + O2 (g)
=
CO2 (g)......................................(6)
2C(s) + O2(g)
=
2CO(g)......................................(7)
Jika pada potensial sel elektrolisis lebih besar dari 1,02 volt maka reaksi yang dapat terjadi: Al2 O3 (sat) + 3C (s)
=
4Al (l) + 3 CO2(g)........................8)
Reaksi Katodik Reaksi yang dapat terjadi di sekitar katoda adalah dekomposisi ion AlF4dari kriolit menjadi ion Al3+ dan F-: AlF4-
=
Al3+ + 4F-………………………...........…….(9)
reaksi Al3+ : Al3+ + 3 e
=
Al (l)..........................................................(10)
Dan reaksi antara natrium dan kriolit dengan Al: Al (l) + 3 Na+ =
3Na + Al3-...........................................(11)
Reaksi Utama Elektrolisis Alumina Reaksi
keseluruhan
pada
industri
elektrolisis
alumina
dengan
menggunakan anoda karbon adalah sebagai berikut : 2Al2O3 (l) + 3C (s)
=
4 Al (l) + 3CO2 (g)............(12)
Reaksi ini berlangsung pada temperatur sekitar 977oC, beda potensial 1,18 volt. Mekanisme reaksi yang paling sering terjadi adalah reduksi Al2O3 secara langsung dengan reaksi : Al2O3 AlO2
=
AlO2- + AlO+.................................................(13) =
Al 3++ 2O2-....................................................(14)
Reaksi katodik : 2Al3+ + 6 e-
=
6 Al........................................................(15)
R eaksi anodik 3 O2- =
:
3/2 O + 6 e-......................................................(16)
Reaksi di atas adalah reaksi utama, reaksi ini tidak mengabaikan fakta bahwa Na pada anoda.
