Titanium

Latar Belakang

Titanium dikenal sebagai logam transisi pada tabel periodik unsur yang dilambangkan dengan simbol Ti. Ini adalah bahan ringan, abu-abu perak dengan nomor atom 22 dan berat atom 47,90. Memiliki massa jenis 4510 kg/m ³ , yang berada di antara kerapatan aluminium dan baja tahan karat. Ia memiliki titik leleh sekitar 3.032°F (1.667°C) dan titik didih 5.948°F (3.287 C). Ini berperilaku kimia mirip dengan zirkonium dan silikon. Ini memiliki ketahanan korosi yang sangat baik dan rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi.

Titanium adalah logam paling melimpah keempat yang menyusun sekitar 0,62% dari kerak bumi. Jarang ditemukan dalam bentuk murni, titanium biasanya ada dalam mineral seperti anatase, brookite, ilmenit, leucoxene, perovskite, rutile, dan sphene. Meskipun titanium relatif melimpah, harganya tetap mahal karena sulit diisolasi. Produsen konsentrat titanium terkemuka termasuk Australia, Kanada, Cina, India, Norwegia, Afrika Selatan, dan Ukraina. Di Amerika Serikat, negara bagian penghasil titanium utama adalah Florida, Idaho, New Jersey, New York, dan Virginia.

Ribuan paduan titanium telah dikembangkan dan ini dapat dikelompokkan ke dalam empat kategori utama. Sifat mereka tergantung pada struktur kimia dasar dan cara mereka dimanipulasi selama pembuatan. Beberapa elemen yang digunakan untuk membuat paduan termasuk aluminium, molibdenum, kobalt, zirkonium, timah, dan vanadium. Paduan fase alfa memiliki kekuatan terendah tetapi dapat dibentuk dan dapat dilas. Paduan alfa plus beta memiliki kekuatan tinggi. Paduan alfa dekat memiliki kekuatan sedang tetapi memiliki ketahanan mulur yang baik. Paduan fase beta memiliki kekuatan tertinggi dari semua paduan titanium tetapi mereka juga kurang daktilitas.

Aplikasi titanium dan paduannya sangat banyak. Industri dirgantara adalah pengguna terbesar produk titanium. Ini berguna untuk industri ini karena rasio kekuatan terhadap beratnya yang tinggi dan sifat suhunya yang tinggi. Hal ini biasanya digunakan untuk bagian pesawat dan pengencang. Sifat yang sama ini membuat titanium berguna untuk produksi mesin turbin gas. Ini digunakan untuk suku cadang seperti bilah kompresor, selubung, penutup mesin, dan pelindung panas.

Karena titanium memiliki ketahanan korosi yang baik, titanium merupakan bahan penting untuk industri finishing logam. Di sini digunakan untuk membuat kumparan penukar panas, jig, dan pelapis. Ketahanan titanium terhadap klorin dan asam menjadikannya bahan penting dalam pemrosesan kimia. Ini digunakan untuk berbagai pompa, katup, dan penukar panas di jalur produksi kimia. Industri penyulingan minyak menggunakan bahan titanium untuk tabung kondensor karena ketahanannya terhadap korosi. Properti ini juga membuatnya berguna untuk peralatan yang digunakan dalam proses desalinisasi.

Titanium digunakan dalam produksi implan manusia karena memiliki kompatibilitas yang baik dengan tubuh manusia. Salah satu kegunaan titanium baru-baru ini yang paling menonjol adalah pada jantung buatan yang pertama kali ditanamkan pada manusia pada tahun 2001. Kegunaan lain dari titanium adalah pada penggantian pinggul, alat pacu jantung, defibrillator, dan sendi siku dan pinggul.

Akhirnya, bahan titanium digunakan dalam produksi berbagai produk konsumen. Ini digunakan dalam pembuatan barang-barang seperti sepatu, perhiasan, komputer, peralatan olahraga, jam tangan, dan patung. Sebagai titanium dioksida, digunakan sebagai pigmen putih dalam plastik, kertas, dan cat. Bahkan digunakan sebagai pewarna makanan putih dan sebagai tabir surya dalam produk kosmetik.

Sejarah

Sebagian besar sejarawan memuji William Gregor atas penemuan titanium. Pada 1791, dia bekerja dengan menchanite (mineral yang ditemukan di Inggris) ketika dia mengenali elemen baru dan menerbitkan hasilnya. Unsur itu ditemukan kembali beberapa tahun kemudian di rutil bijih oleh M. H. Klaproth, seorang ahli kimia Jerman. Klaproth menamai unsur titanium setelah raksasa mitologis, Titans.

Baik Gregor dan Klaproth bekerja dengan senyawa titanium. Isolasi signifikan pertama dari titanium hampir murni dicapai pada tahun 1875 oleh Kirillov di Rusia. Isolasi logam murni tidak ditunjukkan sampai tahun 1910 ketika Matthew Hunter dan rekan-rekannya mereaksikan titanium tetraklorida dengan natrium dalam bom baja yang dipanaskan. Proses ini menghasilkan potongan individu dari titanium murni. Pada pertengahan 1920-an, sekelompok ilmuwan Belanda menciptakan kawat kecil titanium murni dengan melakukan reaksi disosiasi pada titanium tetraiodida.

Demonstrasi ini mendorong William Kroll untuk mulai bereksperimen dengan metode berbeda untuk mengisolasi titanium secara efisien. Eksperimen awal ini mengarah pada pengembangan proses untuk mengisolasi titanium melalui reduksi dengan magnesium pada tahun 1937. Proses ini, sekarang disebut proses Kroll, masih merupakan proses utama untuk memproduksi titanium. Produk pertama yang terbuat dari titanium diperkenalkan sekitar tahun 1940-an dan mencakup hal-hal seperti kabel, lembaran, dan batang.

Sementara karya Kroll mendemonstrasikan metode untuk produksi titanium pada skala laboratorium, dibutuhkan hampir satu dekade lebih sebelum dapat diadaptasi untuk produksi skala besar. Pekerjaan ini dilakukan oleh Biro Pertambangan Amerika Serikat dari tahun 1938 hingga 1947 di bawah arahan R. S. Dean. Pada tahun 1947, mereka telah membuat berbagai modifikasi pada proses Kroll dan menghasilkan hampir 2 ton logam titanium. Pada tahun 1948, DuPont membuka operasi manufaktur skala besar pertama.

Metode manufaktur skala besar ini memungkinkan penggunaan titanium sebagai bahan struktural. Pada 1950-an, itu digunakan terutama oleh industri kedirgantaraan dalam pembangunan pesawat terbang. Karena titanium lebih unggul dari baja untuk banyak aplikasi, industri ini berkembang pesat. Pada tahun 1953, produksi tahunan telah mencapai 2 juta lb (907.200 kg) dan pelanggan utama titanium adalah militer Amerika Serikat. Pada tahun 1958, permintaan titanium turun secara signifikan karena militer mengalihkan fokusnya dari pesawat berawak ke rudal yang baja lebih sesuai. Sejak itu, industri titanium memiliki berbagai siklus permintaan tinggi dan rendah. Banyak aplikasi dan industri baru untuk titanium dan paduannya telah ditemukan selama bertahun-tahun. Saat ini, sekitar 80% titanium digunakan oleh industri kedirgantaraan dan 20% oleh industri non-kedirgantaraan.

Bahan Baku

Titanium diperoleh dari berbagai bijih yang terjadi secara alami di bumi. Bijih utama yang digunakan untuk produksi titanium termasuk ilmenit, leukoxene, dan rutile. Sumber penting lainnya termasuk anatase, perovskite, dan sphene.

Ilmenit dan leukoxene adalah bijih titaniferous. Ilmenit (FeTiO3) mengandung sekitar 53% titanium dioksida. Leucoxene memiliki komposisi serupa tetapi memiliki sekitar 90% titanium dioksida. Mereka ditemukan terkait dengan endapan batuan keras atau di pantai dan pasir aluvial. Rutil adalah titanium dioksida (TiO2) yang relatif murni. Anatase adalah bentuk lain dari titanium dioksida kristal dan baru-baru ini menjadi sumber komersial titanium yang signifikan. Mereka berdua ditemukan terutama di pantai dan endapan pasir.

Perovskite (CaTiO3) dan sphene (CaTi-SiO5) adalah bijih kalsium dan titanium. Tak satu pun dari bahan ini digunakan dalam produksi komersial titanium karena kesulitan dalam menghilangkan kalsium. Di masa depan, kemungkinan perovskit dapat digunakan secara komersial karena mengandung hampir 60% titanium dioksida dan hanya memiliki kalsium sebagai pengotor. Sphene memiliki silikon sebagai pengotor kedua yang membuatnya semakin sulit untuk mengisolasi titanium.

Selain bijih, senyawa lain yang digunakan dalam produksi titanium termasuk gas klorin, karbon, dan magnesium.

Titanium digunakan untuk berbagai macam barang, seperti rangka sepeda, implan pinggul, bingkai kacamata, dan anting .

Manufaktur
Proses

Titanium diproduksi menggunakan proses Kroll. Langkah-langkah yang terlibat meliputi ekstraksi, pemurnian, produksi spons, pembuatan paduan, dan pembentukan dan pembentukan. Di Amerika Serikat, banyak produsen mengkhususkan diri dalam berbagai fase produksi ini. Misalnya, ada produsen yang hanya membuat spons, ada juga yang hanya melelehkan dan membuat paduannya, dan ada juga yang menghasilkan produk akhir. Saat ini, tidak ada satu pun pabrikan yang menyelesaikan semua langkah ini.

Ekstraksi

• 1 Pada awal produksi, pabrikan menerima konsentrat titanium dari tambang. Sementara rutil dapat digunakan dalam bentuk alami, ilmenit diproses untuk menghilangkan besi sehingga mengandung setidaknya 85% titanium dioksida. Bahan-bahan ini dimasukkan ke dalam reaktor fluidized-bed bersama dengan gas klorin dan karbon. Bahan dipanaskan hingga 1.652°F (900 °C) dan reaksi kimia berikutnya menghasilkan titanium tetraklorida (TiCl4) yang tidak murni dan karbon monoksida. Kotoran adalah hasil dari fakta bahwa titanium dioksida murni tidak digunakan pada awalnya. Oleh karena itu berbagai logam klorida yang tidak diinginkan yang dihasilkan harus dihilangkan.

Pemurnian

• 2 Logam yang bereaksi dimasukkan ke dalam tangki distilasi besar dan dipanaskan. Selama langkah ini, pengotor dipisahkan menggunakan distilasi fraksional dan pengendapan. Tindakan ini menghilangkan klorida logam termasuk besi, vanadium, zirkonium, silikon, dan magnesium.

Produksi spons

• 3 Selanjutnya, titanium tetraklorida yang dimurnikan dipindahkan sebagai cairan ke bejana reaktor baja tahan karat. Magnesium kemudian ditambahkan dan wadah dipanaskan sampai sekitar 2.012°F (1.100°C). Argon dipompa ke dalam wadah sehingga udara akan dihilangkan dan kontaminasi dengan oksigen atau nitrogen dapat dicegah. Magnesium bereaksi dengan klorin menghasilkan magnesium klorida cair. Ini meninggalkan titanium murni padat karena titik leleh titanium lebih tinggi dari pada reaksi.
• 4 Padatan titanium dikeluarkan dari reaktor dengan cara dibor dan kemudian diolah dengan air dan asam klorida untuk menghilangkan kelebihan magnesium dan magnesium klorida. Padatan yang dihasilkan adalah logam berpori yang disebut spons.

Pembuatan paduan

• 5 Spons titanium murni kemudian dapat diubah menjadi paduan yang dapat digunakan melalui tungku busur elektroda habis pakai. Pada titik ini, spons dicampur dengan berbagai tambahan paduan dan besi tua. Proporsi yang tepat dari spons untuk bahan paduan diformulasikan di laboratorium sebelum produksi. Massa ini kemudian ditekan menjadi kompak dan dilas bersama-sama, membentuk elektroda spons.
• 6 Elektroda spons kemudian ditempatkan dalam tungku busur vakum untuk dilebur. Dalam wadah tembaga berpendingin air ini, busur listrik digunakan untuk melelehkan elektroda spons untuk membentuk ingot. Semua udara dalam wadah dihilangkan (membentuk ruang hampa) atau atmosfer diisi dengan argon untuk mencegah kontaminasi. Biasanya, ingot dilebur satu atau dua kali lagi untuk menghasilkan ingot yang dapat diterima secara komersial. Di Amerika Serikat, sebagian besar batangan yang diproduksi dengan metode ini memiliki berat sekitar 9.000 pon (4.082 kg) dan berdiameter 30 inci (76,2 cm).
• 7 Setelah ingot dibuat, dikeluarkan dari tungku dan diperiksa cacatnya. Permukaan dapat dikondisikan sesuai kebutuhan pelanggan. Ingot kemudian dapat dikirim ke produsen barang jadi di mana ia dapat digiling dan dibuat menjadi berbagai produk.

Produk Sampingan/Limbah

Selama produksi titanium murni sejumlah besar magnesium klorida diproduksi. Bahan ini didaur ulang dalam sel daur ulang segera setelah diproduksi. Sel daur ulang pertama-tama memisahkan logam magnesium kemudian gas klorin dikumpulkan. Kedua komponen ini digunakan kembali dalam produksi titanium.

Masa Depan

Kemajuan masa depan dalam pembuatan titanium kemungkinan akan ditemukan di bidang peningkatan produksi ingot, pengembangan paduan baru, pengurangan biaya produksi, dan aplikasi ke industri baru. Saat ini, ada kebutuhan akan ingot yang lebih besar daripada yang dapat diproduksi oleh tungku yang tersedia. Penelitian sedang berlangsung untuk mengembangkan tungku yang lebih besar yang dapat memenuhi kebutuhan ini. Pekerjaan juga sedang dilakukan untuk menemukan komposisi optimal dari berbagai paduan titanium. Pada akhirnya, para peneliti berharap bahwa bahan khusus dengan struktur mikro terkontrol akan siap diproduksi. Akhirnya, para peneliti telah menyelidiki berbagai metode untuk pemurnian titanium. Baru-baru ini, para ilmuwan di Universitas Cambridge mengumumkan metode untuk memproduksi titanium murni langsung dari titanium dioksida. Ini secara substansial dapat mengurangi biaya produksi dan meningkatkan ketersediaan.

Tempat Belajar Lebih Lanjut

Buku

Othmer, K. Ensiklopedia Teknologi Kimia. New York:Marcel Dekker, 1998.

Survei Geologi AS Departemen Dalam Negeri AS. Mineral Yearbook Volume 1. Washington, DC:Kantor Percetakan Pemerintah AS, 1998.

Majalah

Freemantle, M. "Titanium Diekstraksi Langsung dari TiO2." Berita Kimia dan Teknik (25 September 2000).

Eylon D. "Titanium untuk Energi dan Aplikasi Industri." TUJUAN Masyarakat Metalurgi (1987).

Lainnya

Halaman Web Elemen Web. Desember 2001. .

Perry Romanowski