DEMİR CEVHERİ TOZLARININ PELETLENMESİ DENEYİ. Demir cevheri tozlarının peletlenme prosesinin görülmesi ve oluşan peletlerin özelliklerinin incelenmesi

Transkript

1 DEMİR CEVHERİ TOZLARININ PELETLENMESİ DENEYİ 1. DENEYİN AMACI Demir cevheri tozlarının peletlenme prosesinin görülmesi ve oluşan peletlerin özelliklerinin incelenmesi 2. TEORİK BİLGİLER Yüksek fırının çalışma mekanizması gereği fırına şarj edilecek cevherler toz halde bu fırına şarj edilemezler. Bu cevherlerin toz halinde fırına şarj edilememelerinin iki ana sebebi vardır; birincisi toz halindeki malzemelerin yüksek fırının çalışması için gerekli olan gaz geçişine engel olmaları ve ikincisi toz haline getirilmiş olan bu malzemelerin yüksek gaz akış hızı sebebiyle toz olarak uzağa taşınma ihtimallerinin yüksek olmasıdır. Bu sebeplerden dolayı yüksek fırına şarj edilecek toz cevherlerin aglomerasyon (topaklanma) işlemine tabi tutulmaları gerekir. Demir cevherlerinin aglomerasyonu için geliştirilmiş dört temel yöntem sinterleme, nodülleme, briketleme ve peletleme olarak sıralanmaktadır[1]. Şekil 2.1: Aglomere edilmiş sinter(solda), pelet(ortada) ve briket(sağda) görüntüleri[2]

2 Peletler demir cevherinden elde edilen konsantrelerin veya farklı minerolojik ve kimyasal kompozisyonlardaki demir cevherlerinin yuvarlak halde topaklandırılmasıyla elde edilen topçuklardır. Peletlerin bazı genel özellikleri şöyle sıralanabilir[2]: Uniform boyut dağılımı (Genellikle 9 15 mm çapları aralığında) Düzenli dağılmış ve yüksek porozite oranı (25-30%) Yüksek demir içeriği (63% ten fazla) Pratik olarak ateş altında kayıp vermemeleri Kolayca indirgenebilen hematit ve hematit türevi bileşikleri içermeleri Yüksek mekanik mukavemete sahip olmaları (kolay dağılmamaları) Peletleme işlemi sonrasında elde edilmiş olan bu peletler genellikle küresel morfolojidedirler ve bu peletlerin yüksek fırında şarj malzemesi olarak kullanılabilmesi için şu özellikleri taşımaları gerekmektedir[3]: İnce taneli kısımlarından (toz, kırıntı vs) ayrılmış olmalıdırlar. Nakliye edilmeleri ve stoklanmaları esnasında meydana gelebilecek darbe ve sarsılmalara karşı dayanıklılık gösterecek yapıda olmalıdırlar. Yüksek fırında ısıtılmaları esnasında çeşitli reaksiyonlardan dolayı oluşabilecek beklenmeyen ufalanmalara karşı dirençli olmalıdırlar. Peletleme Hammaddeleri: Peletleme işleminde kullanılan hammaddeler kullanım amaçları ve kimyasal bileşimine göre iki ana gruba ayrılırlar. İlk grup aynı zamanda peletlerin matriksini oluşturan (daha çok miktarda bulunan) ve demir içeren minerallerden oluşan cevherlerdir. İkinci grup ise daha az miktarda bulunan, matriksi bir arada tutmaya, fiziksel ve mekaniksel özellikleri geliştirmeye yarayan bağlayıcılar veya metalürjik özellikleri modifiye etmek amacıyla harmana katılabilen katkı maddeleri gibi az miktarda ilave edilen diğer katkıları içeren diğer gruptur[2]. Peletleme işlemine tabi tutulacak cevher yapısında yaklaşık %60-65 tan daha fazla demir içermektedir. Düşük veya yüksek olan nem oranı peletlerin oluşumunu olumsuz etkiler[3]. Ham peletlerin disk veya tamburda döndürülerek hazırlanması esnasında topaklanmanın tam olarak oluşabilmesi için bağlayıcı kullanmak gerekir. Bu aşamada kullanılan bağlayıcı suyun

3 vizkositesini yükseltici nitelikte olmalı ve peletleme işlemine tabi tutulacak cevherin yapısını bozmamalıdır. Ayrıca kolayca bulunabilmeleri, yeteri miktarda ve ucuz olarak elde edilebilmeleri de bağlayıcı seçiminde dikkat edilen diğer önemli noktalardır. Peletleme işleminde kullanılan bağlayıcılar; inorganik bağlayıcılar, organik bağlayıcılar ve geleneksel olarak kullanılan bentonit olmak 3 ana grupta toplanabilir[3]. İnorganik bağlayıcılardan farklı olarak organik bağlayıcıların bünyesinde bulunan bazı maddeler peletlerin ısıtılması esnasında yok olmakta ve son olarak elde edilen peletlerin yapısında bulunmamaktadır. Dünya genelinde, kolay bulunabilir olması ve ucuz olması sebebiyle bentonitin bağlayıcı olarak kullanımı çok yaygındır. Bentonit ana mineral olarak montmorillonit içerir. Montmorillonitin kristal yapısı şekil 2.2 de görülmektedir. Doğal haldeki bentonit yaklaşık 20 Å kalınlığındaki tabakalar içeren bir yapıdır. Bu tabakalar aralarına su alabilirler ve tabakalar arasına alınan su bentonitin şişmesini sağlar. Sodyum bentonitleri, kalsiyum bentonitlerine göre daha yüksek şişme oranlarına sahiptir. Şişme oranının yüksekliği sebebiyle sodyum bentonitleri peletleme işleminde kullanılmaya daha elverişlidirler[3]. Şekil 2.2: Montmorillonitin tabakalı yapısı[3] Yüksek fırında daha iyi ve daha ekonomik kullanım sağlayabilmek için bazı durumlarda peletleme işlemi esnasında harmana katkı maddeleri eklenebilir. Olivin, dolomit, kireç ve kireçtaşı gibi maddeler eklenerek yüksek fırında istenen özelliklerin eldesi kolaylaştırılabilirken bazen de demir içeren geri dönüşmüş olan tozlar harmana eklenerek ekonomik olarak katkı sağlanır. Geri dönüştürülerek harmana eklenen katkılardan birisi de tufaldir. Tufal, bazı sürekli

4 döküm tesislerinde, haddehanelerde ve tav fırınlarından çıkarılan çeliklerin yüzeylerinde oluşan demir oksit tabakasıdır. Tufalin demir cevheri konsantresi ile karıştırılarak pelet üretiminde kullanımı da, tufalin ekonomik olarak değerlendirilmesi açısından bir yöntemdir[3]. Peletleme Prosesi: Peletleme prosesi 3 ana bölüme ayrılabilir[2]. 1- Hammadde hazırlanması 2- Islak haldeki peletlerin oluşturulması 3- Islak haldeki peletlerin ısı yardımıyla sertleştirilmesi Burada üretilmiş olan ıslak haldeki peletler Ham Pelet veya Yaş Pelet olarak, ısıtma ve soğutma işlemlerinden sonraki elde edilen hali Ürün Pelet olarak adlandırılır[3,4]. Yaş peletler, toz cevher veya konsantreye su ve bağlayıcı ilave edilmesi ve yatay bir disk, tambur veya koni içinde yuvarlatılmasıyla oluşturulur. Bu esnada yaş peletler pişirmenin yapılacağı bölüme nakledilmesi esnasında parçalanmayacak kadar mukavemete sahip olmalıdırlar. Bu mukavemet değeri için; peletlerin, pelet başına 1,5 kg lık basma yüküne dayanabilecek kapasitede olması gerektiği kabul edilmiştir. Yaş pelet üretimi aşamasında üretimi etkileyen önemli faktörler şöyle sıralanabilir[4]: Kullanılan nem miktarı Bağlayıcı cins ve miktarı Beslenen malzemenin toz boyutları Beslenen malzemenin şekil faktörü ve yüzey alanı Yaş peletlerin mukavemeti, nem miktarına bağlı olduğu için, peletlerin üretiminde en uygun nem miktarının uygulanması önem taşımaktadır. En uygun nem miktarı diğer faktörlere de bağlı olarak %8 ile %12 arasında değişmektedir. Beslenen toz cevher veya konsantrenin boyut dağılımı, oluşturulacak olan peletlerin kalitesini etkileyen en önemli parametredir. Kaliteli peletler elde edebilmek için toplam şarjın yaklaşık %50-80 i 325 mesh (0.045 mm) boyutunun altında olmalıdır[4]. Şarj edilen konsantre boyutları inceldikçe, harmanın özgül yüzey alanı

5 büyür. Peletlemenin başarılı olabilmesi için, en uygun yüzey alanı değerlerinin cm 2 /gr aralığında olması uygundur. Konsantrelerin özgül yüzey alanları ile peletlerin kaliteleri arasındaki ilişki şekil 2.3 te mevcuttur[4]. Şekil 2.3: Konsantre özgül yüzey alanı ile pelet kalitesinin değişimi[4] Üretilen yaş peletlerin boyutunun 9 mm ile 16 mm arasında olması idealdir ve bu peletlerin mukavemetinin yeterli olması beklenilen bir özelliktir[2]. Üretilen yaş peletleri yüksek fırında kullanılabilecek kadar mukavemete sahip hale getirmek için pişirme işleminin yapılması gerekmektedir. Pişirme işlemi hareketli ızgara, döner fırın veya düşey fırın gibi farklı tip fırınlarda yapılabilir. Pişirme işleminde çıkılması gerekilen sıcaklık; cevherin tipi, miktarı ve gang içeriğine göre C ile C arasında değişmektedir[4]. Düşük gang içerikli cevherin kullanıldığı peletlerde pişirme sıcaklığı daha yüksektir. Flaks ilaveli veya daha yüksek gang içerikli malzemeden topaklandırılmış peletlerde ise pişirme sıcaklığı gang içeriği arttıkça düşmektedir[4].

6 Ürün peletin mukavemetini, peletlerin pişirilmeleri esnasında oluşan cüruf bağları sağlar. Ayrıca peletleme harmanında mevcut toz cevher manyetit ise pişirme esnasında hematite oksitlenir. Manyetitin hematite oksidasyonu ile oluşan oksit köprüleri de peletin mukavemetini sağlayan bir diğer etkendir. Ürün peletler için genel olarak kg basma yükü aralığında kırılanların yüksek fırına şarj için yeterli mukavemete sahip olduğu kabul edilir[4]. Peletlerin oluşum mekanizması: Peletleme işlemi esnasında şarj edilen partiküllerin su ile temas etmeleri sonucunda bu partiküllerin yüzeyleri ıslanır ve etrafları su ile kaplanır. Islanmış bu partiküller bir diğerine değdiğinde ise oluşan yüzey gerilimi sonrasında sıvı köprüleri oluşur. Şekil 2.4 te bu partiküllerin su filmi ile kaplanmasının bir temsili görülmektedir[5]. Şekil 2.4: Partiküllerin su filmi ile kaplanması [5] Partiküllerin dönen hazne içerisinde hareketiyle su damlaları ve tozun birleşmesiyle ilk topaklanmalar oluşur. Bu topaklar zayıf karakterdedirler ve içerisinde bulundurdukları çok miktardaki boşluklar arasında ilk sıvı köprüleri görülmeye başlar. Şekil 2.5 te ilk sıvı köprülerinin ve zayıf kürelerin oluşumu görülmektedir[5]. Şekil 2.5 : İlk sıvı köprülerinin görülmesi ve zayıf kürelerin oluşumu[5]

7 Artan su oranı ile oluşan bu zayıf kürelerin iç kısımlarında su miktarı artar ve oluşan bu küreler daha yoğunlaşmış olur. Şekil 2.6 da bu kürelerin daha yoğun hale gelmesi şematik olarak görülmektedir[5]. Şekil 2.6: Oluşan kürelerin daha yoğun hale gelmesi[5] Yaş kürelerin oluşum sürecinin bu kısmında oluşan sıvı köprülerinin kılcal kuvveti etkilidir. En uygun özellikteki kürelerin oluşumu, küre içerisindeki boşlukların su ile dolması ama kürenin dışının daha tamamıyla sıvı ile kaplanmamış olması ile mümkündür. Bu yaş kürelerin oluşumu ve sahip oldukları mukavemet şu üç etkenle ilgilidir[5]: 1- Partikül yüzeyi ve su arasındaki bağlanma kuvveti 2- Partikül özellikleri (boyut dağılımı, yüzey alanı, ıslanabilirlik ve partikülün yüzey durumu) 3- Dönen tamburda parçacıkların yuvarlanması ile oluşan çarpışma kuvvetleri ve basınç Bu kürelerin porlarında oluşan içbükey sıvı yüzeyleri ve kılcal çekmeler parçacıkları bir arada tutar. Şekil 2.7 ve 2.8 bu parçacıkların bir arada kalmasını sağlayan kuvvetleri temsil edilmektedir[5]. Şekil 2.7: Peletlerde oluşan kapilar gerilim ve basınç kuvvetleri[5]

8 Şekil 2.8: İki partikül arasında oluşan kapilar gerilim ve basınç kuvvetleri[5] Sıvı yardımıyla sağlanan bu yaş topaklanma olayında en iyi mukavemetin, partiküller arasındaki boşlukların tamamına yakın kısmının su ile dolmasıyla ve şekilde 2.4 ve 2.5 te de görüldüğü gibi topaklanma yüzeylerindeki suyun yüzeylerinin içbükey halde olduğunda elde edildiği varsayılmaktadır. Eğer kürelere daha fazla su verilir ve bu şekilde topakları oluşturan partiküllerin yüzeyi su filmi ile tamamen kaplanırsa suyun yüzey gerilimi ani olarak düşer, bu kapilar kuvvetler etkisini yitirir ve partiküller birbirinden bağımsız ve serbest hale gelirler[5]. 3. KULLANILAN CİHAZ VE MALZEMELER Peletleme Makinası Etüv ve Elektrik Fırını Demir Cevheri Tozu veya Konsantresi veya Pirit Külü Bentonit Su Kumpas 4. DENEYİN YAPILIŞI Peletleme için kullanılacak harman karıştırılarak bentonit ve cevher tozunun iyice karışması sağlanır. Diskin üzerindeki sarsıcı kısma harman dökülür ve peletleme makinasının diskinin dönmesi sağlanır ve sarsıcı çalıştırılır. Disk dönmeye devam ederken harman dökülmesiyle

9 birlikte fıskiye ile çeşitli aralarla diske su püskürtülür ve topaklanmanın oluşumu sağlanır. Bu topaklanma işlemi tamamlandıktan sonra yaş peletlerin boyutları kumpasla ölçülerek uygun olanlar ayrılır ve bu peletlerin bir kısmı yaş düşme testi için kullanılır, kalan kısmı ise etüvde kurutulduktan sonra fırında pişirilir ve soğumaya bırakılarak ürün pelet eldesi sağlanır. RAPOR İÇİN İSTENENLER 1- Peletleme ön işlemini diğer metalurjik aglemerasyon ön işlemleriyle (sinterleme, nodülleme ve briketleme) karşılaştırınız ve bu işlemlerin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajlarını araştırınız. 2- Yeşil pelet (green pellet) nedir ve hangi özelliklere sahiptir açıklayınız. 3- Demir cevherlerinin peletlenmesi esnasında bentonit ve ana cevher dışında harmana katılan hammaddelerden (diğer bağlayıcılar, katkı maddeleri vb gibi) iki tanesini bu hammaddelerin pelete kattığı özellikleriyle birlikte açıklayınız. YARARLANILAN KAYNAKLAR [1] Eisele, T. C. Kawatra, S.K A Review of Binders in Iron Ore Pelletization Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. [2] Meyer, K Pelletizing of Iron Ores. Springer-Verlag, Berlin, Heidlerberg, New York, Verlag Stahleisen m.b.h. Düsseldorf. [3] Yıldız, N Demir Cevherinin Peletlenmesi Madencilik Dergisi, 29 (1), [4] Şeşen, K Peletleme. Üretim Metalurjisi Laboratuvarı El Kitabı. Editörler: Bor, F.Y. Addemir, O. Duman, İ. İstanbul: İTÜ Maden Fakültesi Ofset Atölyesi. [5] Işıkgül, O Tufalin Demir Cevheri Konsantresi ile Karıştırılarak Pelet Üretiminde Kullanılabilirliğinin ve İndirgenebilirliğinin İncelenmesi Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü,