Aplikasi Kimia : Pembuatan Logam Titanium Skala Industri dan Aplikasi

Titanium dan paduannya memiliki kekuatan yang sangat menguntungkan untuk rasio massa. Mereka juga tahan terhadap korosi karena lapisan oksida permukaannya mengembangkan tipis, tapi sangat ulet. Sehingga logam digunakan barang yang membutuhkan kekuatan, ringan dan tahan terhadap korosi. Meskipun penggunaan titanium dibatasi oleh biaya tinggi, proses yang baru bisa muncul yang mungkin untuk mengurangi biaya secara signifikan, memungkinkan titanium dan paduannya untuk lebih banyak digunakan.

Kegunaan Titanium

Gb.1.Penggunaan titanium

Hampir semua titanium digunakan sebagai paduan dengan logam lain. Di antara paduan logam yang paling penting adalah aluminium, vanadium, molibdenum, mangan, besi, timah, kromium dan zirkonium. Salah satu yang paling sering digunakan memiliki komposisi 90% titanium, 6% aluminium, 4% vanadium yang sering direpresentasikan sebagai Ti-6AI-4V.

Gb 2 kipas mesin International Aero Engines  V2500 ini dipasang di Maskapai Airbus A320 terbuat dari Titanium (Sempre Volando)

Industri kedirgantaraan adalah pengguna terbesar dari paduan titanium, menggunakan mereka di badan pesawat utama (body) dari pesawat, dan di berbagai bagian mesin, roda pendaratan dan tubing hidrolik (Gambar 2).

Karena kekuatan dan ketahanan terhadap serangan kimia mereka, logam dan paduan digunakan di mana bahan lainnya (bahkan stainless steel) dengan cepat bisa memburuk, seperti dalam air laut. Mereka digunakan dalam baling-baling kapal dan pada pabrik desalinasi dan juga di reaktor pabrik kimia dan pipa.

Gambar 3 (National Logam Technology Centre)

Lebih dari 1000 ton paduan titanium yang digunakan setiap tahun di dunia untuk membuat implan untuk operasi, termasuk suku cadang untuk pinggul dan penggantian lutut (Gambar 3). Ini adalah sendi pinggul buatan. Cangkir titanium tiruan dengan sekrup titanium ke dalam panggul. Bagian luar dari cawan (sisi tulang) ditunjukkan dan dilapisi dengan hydroxyapaptite. Pada bagian dalam cangkir ada kapal plastik terbuat dari poli (etena) yang membantu mengurangi gesekan. Bola duduk dalam cangkir. Hidroksiapatit adalah bentuk alami dari kalsium fosfat, mirip dengan yang terjadi secara alami tulang. Ini mendorong mengikat antara titanium dan tulang alami yang sangat berdekatan.

Titanium yang digunakan adalah paduan, Ti-6Al-4V. Di seluruh dunia ada sekitar 1 juta sendi (lutut ditambah pinggul) diganti setiap tahun. Mereka juga digunakan dalam implan gigi sebagai akar untuk gigi pengganti, dan untuk kasus alat pacu jantung.

Museum Guggenheim di Bilbao, Spanyol adalah salah satu bangunan modern yang paling mencolok di dunia yang terbuat dari bahan titanium dirancang oleh Frank Gery dari AS pada tahun 1997

Gb 4 Museum Guggenheim (Gb.Rod Greenhow).

Produksi tahunan titanium

Dunia 130 000 ton

Eropa 52 000 ton

Pembuatan titanium

Titanium terdiri 0,63% dari kerak bumi dan logam struktural paling berlimpah keempat, setelah aluminium, besi dan magnesium.

Gb.5. Bijih Titanium

Deposito titanium yang dapat ditambang secara ekonomis ditemukan di seluruh dunia. Bijih utama adalah rutil (TiO2) dan ilmenit (FeTiO3) dalam deposito pasir pantai (Australia Barat), ilmenit-haematite (Kanada), dan ilmenit-magnetit (Ukraina) di deposito hard rock (Gambar 5). Meskipun rutil adalah langka dan lebih mahal daripada ilmenit, itu lebih sering digunakan karena tidak mengandung senyawa besi dan karena itu dapat lebih mudah diproses. Namun, ilmenit kadang-kadang diproses untuk menghilangkan zat besi dan membuat rutil 'sintetis'.

The Kroll Proses

Kebanyakan titanium diproduksi dari bijih yang mengandung titanium dioksida menggunakan proses empat tahap yang panjang:

a) klorinasi bijih menjadi titanium (IV) klorida

b) pemurnian titanium (IV) klorida

c) reduksi titanium (IV) klorida menjadi titanium spons

d) pengolahan titanium spons

(a) Klorinasi bijih untuk titanium (IV) klorida

Titanium dioksida adalah stabil dengan pengaruh suhu dan sangat tahan terhadap serangan kimia. Tidak dapat direduksi dengan menggunakan karbon, karbon monoksida atau hidrogen, dan reduksi oleh logam lebih elektropositif tidak lengkap. Jika oksida diubah menjadi titanium (IV) klorida, maka pembuatan titanium menjadi meugkin, karena klorida yang lebih mudah direduksi.

Bijih kering dimasukkan ke chlorinator bersama dengan kokas dibentuk  bedfluida. Setelah bedtelah dipanaskan, panas reaksi dengan klorin cukup untuk mempertahankan suhu di 1300 K

(b) Pemurnian titanium (IV) klorida

Titanium (IV) klorida mentah dimurnikan dengan distilasi, setelah perlakuan kimia dengan hidrogen sulfida atau minyak mineral untuk menghilangkan vanadium oksiklorida, VOCl3, yang mendidih pada suhu yang sama seperti titanium (IV) klorida. Produk akhir mempunyai kemurnian (> 99,9%) titanium (IV) klorida yang dapat digunakan baik untuk membuat titanium atau dioksidasi untuk memberikan titanium dioksida untuk pigmen.

Tangki penyimpanan harus benar-benar kering skarena produk mengalami hidrolisis cepat dengan adanya air, menghasilkan asap putih padat hidrogen klorida:

c) Reduksi titanium (IV) klorida menjadi titanium spons

Titanium (IV) klorida adalah cairan yang mudah menguap. Dipanaskan untuk menghasilkan uap yang akan dilewatkan ke dalam reaktor stainless steel mengandung magnesium cair (berlebih), dipanaskan sampai sekitar 800 K dalam suasana argon. Reaksi eksotermik akan menghasilkan titanium (III) dan titanium (II) klorida yang menyebabkan kenaikan suhu yang cepat ke sekitar 1100 K. klorida ini menjalani pengurangan perlahan, sehingga suhu dinaikkan ke 1300 K untuk menyelesaikan proses reduksi. Meski begitu, itu adalah proses yang panjang:

Setelah 36-50 jam reaktor dihilangkan dari tungku dan dibiarkan dingin selama setidaknya empat hari. Magnesium yang tidak bereaksi dan campuran klorida / titanium diperoleh, kemudian dihancurkan dan dicuci dengan asam klorida encer untuk menghilangkan magnesium klorida. Dalam metode alternatif yang digunakan di Jepang, magnesium klorida, bersama-sama dengan magnesium yang tidak bereaksi akan dihilangkan dari titanium dengan destilasi vakum suhu tinggi.

Magnesium klorida dielektrolisa untuk menghasilkan magnesium untuk tahap reduksi dan klorin didaur ulang untuk tahap bijih klorinasi.

Titanium yang dimurnikan dengan distilasi vakum suhu tinggi. Logam titaniumnya adalah yang dalam bentuk granul berpori yang disebut spons. Ini yang dapat diproses dipabrik, atau dijual ke perusahaan lain untuk konversi ke produk titanium.

Gambar 6 Ringkasan konversi bijih titanium menjadi produk yang berguna.

(d) Pengolahan titanium spons

Titanium spons mudah bereaksi dengan nitrogen dan oksigen pada suhu tinggi, spons harus diproses dalam vakum atau suasana inert seperti argon. Pada tahap ini scrap titanium dapat dimasukkan, dan logam lainnya dapat ditambahkan jika paduan titanium diperlukan. Sebuah metode yang umum adalah untuk memampatkan bahan bersama-sama untuk membuat blok besar yang kemudian menjadi elektroda dalam wadah mencair busur listrik. Sebuah bentuk busur antara wadah dan elektroda, menyebabkan elektroda mencair ke dalam wadah di mana didinginkan dan membentuk ingot besar. Ini dapat diulang untuk menghasilkan "lelehan kedua" ingot kualitas yang lebih tinggi.

Proses TP Armstrong 

Titanium dan paduannya dapat diproduksi dari titanium (IV) klorida menggunakan natrium bukan magnesium. Meskipun kimia ini tidak baru, Proses continues lebih sering digunakan daripada proses batch yang kini telah dikembangkan, secara signifikan mengurangi biaya

Gambar 7 Proses kontinyu untuk pengurangan titanium (IV) klorida.

Uap Titanium (IV) klorida dimasukan ke dalam aliran natrium cair, dan klorida direduksi menjadi logam. Titanium dan natrium klorida terbentuk sebagai padatan, dan diekstrak dari aliran natrium dengan menyaring. Setelah menghilangkan sisa natrium, logam titanium dapat dipisahkan dari garam dengan pencucian sederhana. Natrium klorida dikeringkan, dipanaskan sampai cair dan dielektrolisis, menghasilkan natrium untuk digunakan kembali dan klorin untuk tahap klorinasi awal.

Jika adonan titanium (IV) klorida dicampur secara menyeluruh dengan proporsi yang benar dengan logam klorida lainnya sebelum dimasukkan ke dalam aliran cairan natrium, hasilnya adalah sangat paduan bubuk titanium dengan kualitas yang sangat tinggi, merupakan salah satu keuntungan utama dari proses ini. Misalnya, Ti-6Al-4V diproduksi yang melibatkan aluminium klorida dan vanadium (IV) klorida dalam perbandingan yang tepat.

Proses FFC Cambridge

Penelitian di Cambridge (Inggris) telah menghasilkan pengembangan metode elektrolisis untuk mereduksi titanium dioksida langsung ke titanium. Titanium dioksida (biasanya rutil) adalah bubuk dan kemudian dibuat menjadi pelet untuk bertindak sebagai katoda. Mereka ditempatkan di dalam bak cair kalsium klorida dan terhubung ke sebuah batang logam yang bertindak sebagai konduktor. Sel dilengkapi dengan anoda karbon. Pada menerapkan tegangan, titanium oksida direduksi menjadi titanium dan ion oksida tertarik ke anoda karbon, yang dioksidasi menjadi karbon monoksida dan karbon dioksida (Gambar 8).

Gambar 8 Reduksi elektrolit dari titanium (IV) oksida.

Jika tegangan yang lebih tinggi diterapkan dengan mekanisme yang berbeda. Kalsium akan mengumpul pada katoda dan bereaksi dengan titanium dioksida untuk membentuk titanium dan ion kalsium ion diperbarui.

Proses ini jauh lebih sederhana daripada metode yang ada, yang beroperasi pada suhu yang lebih rendah (hemat biaya energi), dan memiliki dampak lingkungan yang lebih rendah. Ini memiliki potensi untuk mengurangi biaya produksi secara signifikan, sehingga memungkinkan akan memberi keuntungan dari logam titanium untuk diterapkan pada produk akhir yang lebih luas.

Proses ini juga sedang dipertimbangkan untuk produksi logam lainnya, misalnya, tantalum.