ÜRETİM METALURJİSİ ANABİLİM DALI Metalurji Proses Laboratuarı Deney Föyü. Peletleme ve Redüksiyon

Transkript

1 1- AMAÇ Pirometalurjik öntemle metalik ürünlerin üretiminin gerçekleştirilmesi; termodinamik şartların, katıgaz reaksionları kinetiğinin, curuf oluşumunun, çözünme ve rafinason işlemlerinin belirtilerek pirometalurjik işlemlerin temel prensiplerinin incelenmesidir. - TEORİK BİLGİ Metalurji de; pirometalurji, hidrometalurji ve elektrometalurji olmak üzere üç temel işlemde metallerin üretimi gerçekleşmektedir. Pirometalurji ergitme ve redüksion olula metal vea metal alaşımlarının üretildiği, temel bazı işlemlerden oluşan bir öntemdir: Ergime (Sıvılaşma) Reaksionu, Yakıtın Yanması ve Diğer Oksitlenme Reaksionları, Kalsinason (Parçalanma) Reaksionu, İndirgenme Reaksionu, Curuf Oluşumu Reaksionu, Çözünme Reaksionu. Ülkemizde üretilen 3 milon tonluk ham çeliğin % 0,6 sına karşılık gelen 6,6 milon tonluk kısmı üksek fırına daalı üretim apan entegre tesislerde, % 79,4 üne karşılık gelen 5,4 milon tonluk kısmı ise 1 adet elektrik ark ocaklı tesislerde gerçekleştirilmektedir. Gerçekleştirilen üretimin büük kısmının hurdaı hammadde olarak kullanan elektrik ark ocaklı tesisler tarafından gerçekleştirilmesi ve ülkemizde açığa çıkan hurda miktarının söz konusu kullanımdan çok daha düşük olması hurda konusunda ülkemizi dışa bağımlı hale getirmektedir. Türkie 010 ılında dünada en fazla hurda ithal eden ülke olmuş ve aklaşık 9 milar dolarlık hurda ithalatı gerçekleştirmiştir. Hurdadaki bu dışa bağımlılığı gidermek üzere cevherden üretim apan alternatif demir-çelik teknolojilerinin incelenmesi gerekmektedir. Alternatif demir-çelik teknolojilerinin ortaa çıkmasındaki diğer bazı etkenler ise şu şekildedir; Hammadde Malietinin Düşürülmesi, Verimlilik Artışı ile Ürün Malietinin Azaltılması, Ürün Kalitesinin Artırılması, Yeni Ürün Geliştirme, Enerji Tasarrufu, Geri Kazanımın Artırılması, Çevre Problemlerinin Çözümü. 1

2 Alternatif demir-çelik üretiminin temelini, üksek fırının üst tarafında gerçekleşen zaıf ısı veren reaksionlardan oluşan katı ön indirgeme ile demir cevherinden sünger demir üretimi oluşturmaktadır. Demir cevheri peletleri; aglomerason ve sertleştirme olula, demir önünden zengin ince taneli mineraller olarak elde edilen endüstriel şarj malzemeleridir. Demir peleti diğer şarj elemanlarından (demir cevheri parçaları ve s inter cevher) daha üksek maliete sahiptir. Bu dezavantajına rağmen sahip olduğu özellikler saesinde üksek fırının vazgeçilmez girdilerinden biridir. Peletlerin üksek fırın için ideale akın şarj malzemesi olmasının nedenleri aşağıdaki gibi özetlenebilir. Yüksek demir içerikleri (% Fe), Yüksek daanım ve taşınabilme olanakları saesinde, ufalanıp toz cevher haline dönmeme konusunda üstün dirençleri, Birbirine akın boutlarda olmaları nedenile ii gaz geçirgenliği ve düzgün gaz dağılımı, Yüksek porozitelerinden dolaı ii redüklenebilme özellikleri. İstenen özellikleri sağlamak koşulula üksek fırında pelet kullanılması kok tüketiminin azaltılması, cüruf miktarının azalması üretim hızının artışı gibi olumlu sonuçların alınmasını sağlamaktadır. Alternatif demir-çelik üretiminde (sünger demir, demir tanesi, vs.) de ham madde olarak demir cevheri peleti kullanımına sıkça rastlanmaktadır. Sünger demir; toz, parça a da pelet halindeki demir cevherinin gaz a da katı redükleici kullanılarak ergime sıcaklığının altında (950 o C-1100 o C da) redüklenmesi sonucu elde edilen ürünün adıdır. Elde edilen bu ürün, üksek oranda metalik demir içermesinin anında, indirgenmemiş demir oksitler ile bir miktar karbon ve cevherden gelen gang bileşenlerini taşımaktadır. Sünger demirde genellikle toplam demir içeriği % 85 in üzerindedir. Metalizason derecesi % arasında değişir. Karbon içeriği % 1-,5 arasındadır. Gang içeriği % -4 arasında değişir. Kükürt oranı kükürtsüz gazla çalışan proseslerde % 0,005 ten küçük, kükürt içeren kömür ve kireçtaşı kullanan proseslerde aklaşık % 0,0 dir. Görünür oğunluğu 4 g/cm 3 kadardır. HBI ( Hot Briquetted Iron-Sıcak Briketlenmiş Demir), pelet ve parça sünger demirin üksek basınç altında 650 o C den üksek sıcaklıkta sıkıştırılmasıla üretilir. HBI, pelet formundaki DRI dan (Direct Reduced Iron- Direkt Redüklenmiş Demir) %75 daha az su çeker. Sünger demirde 5 mm boutundaki ince oranı % 5 ten az olmalıdır. Sünger demir üretimi; kullanılan temel fırın prosesine göre ve kullanılan redükleici elemana göre sınıflandırılır.

3 Şekil 1. Sünger demir üretim öntemlerinin sınıflandırılması Demir oksitlerin karbon ile redüksionu, ancak gaz fazının kısmi oksijen buhar basıncının [ P O ] (CO) demir oksitlerin kısmi oksijen buhar basıncından [ P ] daha küçük olması durumunda mümkündür. P > PO ) (CO Redüklenme PO (FeO ) P Denge = O (CO) P < PO ) ( CO Oksitlenme Basıncın bir fonksionu olan CO /CO karışımı ile demir oksitlerin redüksionu; Fe O + CO = Fe O -1 + CO eşitliği ile verilir. Bu eşitliğin denge sabiti aşağıdaki gibi bulunur: a PCO K. Fe O -1 a P Fe O. (Katı maddelerin aktiviteleri =1 alınır.) PCO K PCO Redükleme reaksionlarının çeşitli sıcaklıklardaki denge sabitleri hesaplanabilir. Bu denge sabitelerinin P CO /P CO oranı bu denge sabitelerinden küçük ise Fe O redüklenir. CO Hematit bileşimli demir cevherinin metalik demire redüklenmesi üç aşamada gerçekleşir: 3 Fe O 3 + CO = Fe 3 O 4 + CO 3

4 Fe 3 O 4 + CO = 3 FeO + CO FeO + CO = Fe + CO Karbonun redükleici gaz oluşturma reaksionları ise aşağıdaki gibidir: C + O = CO CO + C = CO Demir oksitlerin redüksionu heterojen reaksionlardır, ani reaksionlar katı ve gaz maddeler arasında gerçekleşir ve proses koşullarına bağlı olarak birçok kısmi reaksionlar ve taşınım olaları içerir. Şekil. Pelet Redüksionunun Aşamaları Redüksionda, porlardaki difüzon ve kütle transferi etkin olan başlıca olalar olup, demir oksitlerin redüksionu Fe O 3 / Fe 3 O 4 / FeO / Fe sırasıla oluşan topokimasal reaksionlardan ibarettir. Böle bir reaksionda oluşan ürünlerin ara üzeleri maddenin orijinal dış üzeine paralel olarak merkeze doğru ilerler. 3- KULLANILAN CİHAZLAR VE MATERYALLER Demir oksit esaslı peletler, Hassas terazi, Tüp fırın, Pens ve maşa, Grafit Kaıkçık, 4- DENEYİN YAPILIŞI Daha önceden hazırlanmış olan klasik peletler tartılarak ağırlığı tespit edilir. Toplam redüksion reaksionu kullanılarak bu peletlerin redüksionu için gerekli olan karbon miktarı ve buna bağlı olarak kullanılacak kömür miktarı hesaplanır. Toplam pelet ağırlığına göre hesaplanan teorik kömür miktarından % 150 fazlası kullanılacak şekilde tartım apılır. Hazırlanan peletler sünger demir elde etmek üzere önceden reaksion sıcaklığına (1000 C) ısıtılmış fırına grafit kroze içerisinde konulur. Sırala 5, 10 ve 15 dakika bounca sonra redüklenen peletler fırından alınarak oda sıcaklığına soğutulur ve tartılır. 4

5 5- HESAPLAMA Denelerde kullanılan pelet konsantrasonu ve kok kömürünün kimasal bileşimleri aşağıda verilmektedir. Fe 3 O 4 SiO Al O 3 S Mn CaO MgO K O Na O P C Pelet Konst. 94,60,0 0,75 0,40 0,10 0,60 0,58 0,07 0, Kok - 8,6 4,30 0,54-1,4 0,35 0,9 0,08 0,14 80,30 Aşağıdaki formüller ardımıla peletlerin redüksion üzdeleri hesaplanır: Giderilen Oksijen % Re düksion Giderilmesi Gereken Oksijen 6- DENEY RAPORUNDA İSTENİLEN BİLGİLER a. Denein amacı ve apılışını azınız. b. Klasik peletlerin redüksionu için gereken teorik kömürü hesaplaınız. c. % Redüksion oranını hesaplaarak sonuçları, % redüksion ( ekseni), zaman grafiğinizi ve sonucu irdeleiniz. d. Her dene için arı olarak verilen ödevi cevaplaınız. 7- KAYNAKLAR 1. M.N. Sarıdede, Divriği Peletlerinin Katı Redükleicilerle Ön Redüksionu ve Ön Redüklenmiş Peletlerin Ergitme Şartlarının Optimizasonu, YTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, T. Rosenqvist, Principles of Etractive Metallurg, Mc Graw-Hill Book Co., nd Ed F.Y. Bor, Ekstraktif Metalurji Prensipleri Kısım I ve II, İTÜ, TS ISO 1158: Demir Cevherler Gaz Dönüşüm Prosesleri ile apılan Doğrudan İndirgeme, İndirgenebilirlik ve Metalleşme Özelliğinin Taini. *100 5