Üretim Metalurjisi. Pirometalurji: Isı enerjisi ile üretim Hidrometalurji: Sulu ortamda üretim Elektrometalurji: Elektrik enerjisi ile üretim

Transkript

1 Üretim Metalurjisi Pirometalurji: Isı enerjisi ile üretim Hidrometalurji: Sulu ortamda üretim Elektrometalurji: Elektrik enerjisi ile üretim Üretim metalurjisi, gerek tabiatta mevcut cevherlerden, gerekse metal içeren hammaddelerden veya ikincil kaynaklardan (hurda, artıklar, v.s.) fiziksel ve kimyasal yöntemlerle saf metallerin veya alaşımların üretimi konularını kapsar. Üretim metalurjisinin amacı, Cevher hazırlama aşamasından başlayarak, pirometalurjik, hidrometalurjik ve elektrometalurjik yöntemler uygulamak suretiyle metalin cins ve özelliğine uygun işlemler seçmekte ve diğer endüstrilerde kullanılmaya elverişli ham metal ve saf metaller veya alaşımlar üretmektedir. CEVHER HAZIRLAMA Cevher: Doğrudan doğruya veya bazı işlemler sonucu zenginleştirilerek endüstride tüketim yeri bulunabilen ve ekonomik değeri olan bir veya birkaç mineralden oluşmuş kayaçtır. Cevher, metal üretiminin hammaddesini teşkil eder. Değerli mineraller metalik elementleri içermiyorsa cevher tabiri yerine endüstriyel hammadde deyimi kullanılır. Mineral: Mineral doğal şekilde oluşan homojen, belirli kimyasal bileşime sahip ve belirli bir kristal öz yapıları olan inorganik kristalleşmiş katı bir cisimdir. Konsantre: Cevher hazırlama veya zenginleştirme işlemleri sonucunda oluşan ve ham cevherden ayrıştırılması hedeflenen minerallerin zenginleştirilmesi yöntemiyle elde edilen ürüne denir. Tenör: :Bir cevher içerisindeki metal yüzdesidir. CEVHER HAZIRLAMA (ZENGİNLEŞTİRME) Tabiatta bulunan düşük tenörlü cevherin içerisindeki ana metal mineralinin yüzdesinin yükseltilmesi işlemidir. Ana metal minerali ile gang minerallerinin farklı özelliklerinden yararlanılarak mineraller birbirinden kısmen ayrılarak cevher hazırlama veya zenginleştirme işlemi ile gerçekleştirilir. Cevher hazırlama ekonomik ve teknolojik sebeplerden dolayı uygulanır. a) Cevher Hazırlamayı Gerektiren Teknolojik Nedenler Bazı cevherlerin, teknolojik olarak üretilebilmesi için belli koşulları (tane boyutu, tenör ve element içeriği) sağlaması gerekmektedir. Bu koşullara örnekler aşağıda verilmiştir.

2 Örnek 1. Cam yapımında kuvars kumu için; 0,1 mm< Tane Boyutu< 0,5 mm ve %Fe 2 O 3 <%0,05 olmalıdır. Örnek 2. Pik demir üretiminde kullanılan demir cevheri için; 10 mm< Tane Boyutu< 100 mm olmalıdır. Bunun için kırma, öğütme ve sinterleme-peletleme uygulanmaktadır. Ayrıca %P ve %Na 2 O+K 2 O <%0,1 olmalıdır. Örnek 3. Manyezit cevherinden yüksek kalitede kalsine Manyezit veya sinter Manyezit üretebilmek için; %SiO 2 <%0,5 ve 2 mm< Tane Boyutu<30 mm olmalıdır. b) Cevher Hazırlamayı Gerektiren Ekonomik Nedenler Temel olarak iki neden vardır: a) Ocaklardan üretildiği şekilde ekonomik olmayan bir cevherin ekonomik duruma getirmek, (Örneğin, %5 Pb içeren bir cevherden doğrudan kurşun metal üretmek hiçbir zaman ekonomik değildir. Cevher hazırlama işlemleri ile kurşun tenörü %60 a çıkarılarak ekonomiklik sağlanır.) b) Ocaklardan üretildiği şekilde ekonomik olan bir cevherin ekonomikliğini daha da arttırmak. (Örneğin, %50 Fe içeren bir cevherden doğrudan pik demir üretmek ekonomik olmaktadır, fakat demir tenörünün %50 nin üstüne çıkarılması ekonomikliği daha da arttırır.) CEVHER HAZIRLAMA İŞLEMLERİ KIRMA : Kırıcılar yardımı ile yapılan kaba boyut küçültmedir. Kaba Kırma (ortalama 100 mm tane boyutu) ve İnce Kırma(1-10 mm tane boyutu) olmak üzere iki aşamada uygulanır. ÖĞÜTME : Öğütücüler yardımı ile yapılan ince boyut küçültmedir. (0,1 mm tane boyutu altı) ELEME : Elekler yardımı ile yapılan boyut tasnifidir. AYIRMA : Minerallerin yoğunluk, manyetik, elektriksel ve yüzey özelliklerinden yararlanılarak kısmen birbirinden ayrılmasıdır.

3 Kırma Kırma, boyut küçültme işleminin ilk aşamasıdır. Cevherin içerdiği farklı minerallerin birini diğerinden serbest hale getirmek, prosese uygun boyut ya da yüzey alanı veya kullanım amacına uygun boyut sağlamak amacı ile yapılmaktadır. Kırmada uygulanan kuvvetler; darbe, sıkıştırma veya ezme, kesme ve sürtünme kuvvetleridir. Kırma işlemi için kullanılan cihazlar kırıcı olarak adlandırılır. Tanelere baskı, darbe ve kesme kuvveti uygulayarak onları daha küçük tane boyutlarına indiren mekanik araçlardır. Kırma makinaları özellikle ürün özellikleri, makina maliyetleri ve enerji kullanımı gibi dizayn özellikleri açısından bir gelişim içindedir. Bu nedenle çok çeşitli şekil, yapı ve boyutlarda makinalar cevher hazırlama işlemlerinde kullanılmaktadır. Kırma cm arasındaki tane boyutlarına uygulanmaktadır cm arasında yapılan kırmaya iri kırma; cm arasında yapılan kırmaya ise ince kırma adı verilmektedir. Çeneli, konili, merdaneli ve çekiçli kırıcılar cevher hazırlama tesislerinde en yaygın olarak kullanılan kırıcı tipleridir. İstenilen boyuta kırılmış malzemenin kırma devrelerinden alınması ya da malzemenin boyuta göre sınıflandırılmasında; uygulanan prosese, cevherin yapısına, boyutuna, fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre değişik elekler kullanılır. Bunlar; elek yüzeyinin yapısına göre saç, tel örgülü ve paralel çubuklu elekler; çalışma şekline göre hareketsiz (sabit ızgara ve sabit kavisli elek) ve hareketli (hareketli ızgara, döner elekler, sallantılı elekler ve titreşimli elekler) olarak sınıflandırılmaktadır. Öğütme Öğütme, kırma sonrası boyut küçültme işleminin son aşamasıdır. Cevherin içerdiği farklı minerallerin birini diğerinden serbest hale getirmek, prosese uygun boyut ya da yüzey alanı veya kullanım amacına uygun boyut sağlamak amacı ile yapılmaktadır. Öğütmede uygulanan kuvvetler; darbe, sıkıştırma veya ezme, kesme ve sürtünme kuvvetleridir. Öğütme işlemi için kullanılan cihazlar değirmen olarak adlandırılır. Değirmenler, öğütme devrelerinde, öğütülecek cevhere ve öğütme sonrası istenilen ürünün boyutuna göre seçilir. Bilyalı, çubuklu, otojen ve valsli değirmenler cevher hazırlama tesislerinde en yaygın olarak kullanılanlarıdır. Öğütme, prosesin akışına ve cevherin durumuna göre yaş ya da kuru olarak yapılır. Öğütme şekline göre, sistemdeki sınıflandırıcı ve diğer proses makinaları seçilir. Kuru öğütme, yaş öğütme ile karşılaştırıldığında yaklaşık 1.3 kat daha fazla güç gerektirir. İstenilen boyuta öğütülmüş malzemenin öğütme devrelerinden alınması ya da malzemenin boyutuna göre sınıflandırılmasında; uygulanan prosese, cevherin yapısına, boyutuna, fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre değişik sınıflandırıcılar kullanılır. Bunlar; hidrosiklonlar, mekanik sınıflandırıcılar (spiral sınıflandırıcılar, taraklı sınıflandırıcılar, katı merkezkaç sınıflandırıcılar), havalı sınıflandırıcılar olarak bilinmektedirler. Eleme Eleme katı bir malzeme karışımını elekler kullanarak farklı boyutlardaki bileşenlerine ayırma işlemidir. Eleme işleminde kullanılan elekler büyüklüklerine göre sınıflandırılırken "mesh numarası" kavramı kullanılır. Mesh numarası bir elekte birim alan (inç 2 veya mm 2 ) başına düşen delik sayısını göstermektedir.

4 Eleme ile elek altı ve elek üstü olmak üzere iki ürün elde edilir. Endüstriyel elekler elemenin yapıldığı yüzeyin sabit veya hareketli olmasına göre "sabit elekler" ve "hareketli elekler" olmak üzere iki ana bölüme ayrılır. Sabit eleklerin en basit şekli ızgaralardır. Izgaralar büyük boyutlu malzemelere en uygun olan tiptir. Genellikle eğik olarak yapılırlar ve üzerlerindeki malzemenin aşağı doğru inerken ızgara aralıklarından düşen parçaların ızgara üstünde kalandan ayrılmasını sağlarlar. Hareketli eleklerde tıkanmayı azaltmak amacıyla ızgaralara çeşitli hareketler verilmektedir. Bu hareketler ile malzeme hem bir yöne doğru itilir hem de eleme kolaylaştırılmış olur. Flotasyon Flotasyonun kelime anlamı yüzdürmektir. Cevher hazırlamada ise flotasyon, bir cevherin içindeki çeşitli minerallerden bazılarını su yüzüne çıkararak suyun dibinde kalan diğer minerallerden ayırma yöntemidir. Bu işlemde minerallerin yüzey özelliklerindeki farklılıklardan yararlanılarak ayırma yapılır. Partiküllerin ıslanabilmesi, flotasyon, aglomerasyon, katı-sıvı ayırımı ve tozun bastırılması gibi pek çok teknolojik prosesi etkileyen önemli parametrelerden biri olduğu bilinmektedir. Katı, sıvı ve gaz fazlarından oluşan flotasyon sisteminde katı faz, sıvıya göre gaz fazını tercih ediyorsa, katıya sıvıyı sevmeyen (hidrofob), gaza göre sıvı fazı tercih ediyorsa, sıvıyı seven (hidrofilik) denir. Hidrofob mineraller düşük yüzey enerjili minerallerdir (kömür, grafit, kükürt, talk...). Katıların ıslanabilirliği/hidrofobluğu ve yüzebilirliği katı-su ve katı-su buharı ara yüzeyleri, kimyasal bağlar, bulk özellikleri, katıların kristal yapısı ve katının su ile reaksiyona girebilmesi gibi özellikler açısından incelenmiştir. Katı, sıvı ve hava üçlü sisteminde yüksek temas açısı (θ) katının sıvı tarafından ıslatılmasının minimum olduğu anlamına gelir. Katı, sıvı, hava üçlü sistemindeki kuvvetler Şekil 1 de görüldüğü gibidir. Üçlü fazın dengede olduğu durum Young Eşitliği ile ifade edilmektedir. Katı, sıvı, hava üçlü sistemindeki kuvvetler ve Young Eşitliği Minerallerin veya katıların ıslanma ve yüzebilme karakterlerini deneysel ve ampirik olmak üzere pek çok yöntemle tayin etmek mümkündür. Bu tekniklerden elde edilen sayısal değere sahip parametre kritik ıslanma yüzey gerilimi, γ c dir. Bu γc değerinden düşük sıvı yüzey gerilimlerinde mineral bu çözelti tarafından tamamıyla ıslanmak suretiyle hidrofobluk veya yüzebilirlik özelliğini kaybeder. İyi bir temas açısının (katı-sıvı-hava ara yüzeyleri arasında), yani θ>0 olması için kullanılan sıvının yüzey geriliminin (γ SH ) mineralin γc değerinden büyük olması gerekmektedir. Bu da flotasyonun başarılı olmasını gerektiren koşullardan birincisidir. Düşük yüzey enerjili mineraller (γ c <72 din/cm), Kritik Islanma Yüzey Enerjilerinden (γ c ) daha düşük yüzey enerjili sıvılar tarafından ıslatılırlar. Flotasyon sisteminde iki katının selektif olarak ayrılması

5 katılardan birinin flotasyon çözeltisi tarafından kısmen ıslatılırken veya hiç ıslanmazken diğer katının çözelti tarafından tamamen ıslatılmasına dayanır (θ=0 hali). Kısmen ıslanan katı, hava kabarcığına tutunarak yüzer. Minerallerin veya katıların hidrofobluğunu, dolayısı ile ıslanmadığını ve iyi flotasyonu tayin eden γc değerinin eldesi için kullanılan birçok teknikten en çok kullanılan iki tanesi "temas açısı ölçümü yöntemi" ve "flotasyon yöntemidir". Flotasyonun cevher hazırlamada uygulama alanları şunlardır; Metalik cevherlerin flotasyonu Metalik olmayan cevherlerin flotasyonu Katı yakıtların temizlenmesi Flotasyonun avantajları şunlardır; Çok ince taneli cevherlerin zenginleştirilebilmesi Kompleks cevherlerin zenginleştirilmesi Sonuç ürün tenorunun istenildiği gibi kontrol edilmesi Flotasyon ile zenginleştirmede minerallerin yoğunluk farkının önemli olmaması. Flotasyonun dezavantajları şunlardır; Gravite ve manyetik ayırma yöntemlerine göre pahalı olması Bazen cevheri aşırı öğütmek gerektiği için işlemde metal kaybının fazla olması ve öğütme giderlerinin artması Çevre kirliliğine neden olması Flotasyonda Kullanılan Reaktifler Flotasyonda istenilen minerali veya minerallerin yüzdürülmesi veya bastırılması amacıyla flotasyon ortamına çeşitli reaktifler eklenir. Bu reaktifleri aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür. Kollektörler (Toplayıcılar): Yüzdürülmesi istenen mineral veya minerallerin yüzeylerine adsorplanmak suretiyle yüzey özelliklerini değiştirerek onlara hidrofob (suyu sevmeyen) özellik kazandıran kimyasal maddelerdir. Köpürtücüler: Flotasyon devrelerinde özel olarak köpük meydana getiren kimyasal maddelerdir. Köpükleştiricilerin temel hedefi yeterli hacim ve dayanıklılıkta bir köpük oluşturabilmektir. Flotasyon hücresinden çıktıktan sonra ise kolayca patlayabilmelidir. Kontrol Reaktifleri: Flotasyon şartlarını ayarlamakta kullanılan reaktiflerdir. i) Bastırıcı Reaktifler: Flotasyonda yüzmesi istenmeyen mineral veya minerallerin bastırılması amacıyla kullanılan reaktiflerdir. Bu reaktifler mineral yüzeyine kolektör adsorpsiyonunu azaltırlar. ii) Aktifleştirici (Canlandırıcı) Reaktifler: Mineral veya minerallerin yüzeylerine kolektör adsorpsiyonunu arttıran reaktiflerdir. iii) Diğer Kontrol Reaktifleri: Bu gruptaki reaktifler; suyun sertliğini gideren, flotasyona zararlı iyonları bağlayan, pülp içinde bazı minerallerin flokülasyonunu ve bazı minerallerin de dispersiyonunu sağlayan reaktiflerdir.

6 Flotasyon Makineleri Flotasyon makinaları genellikle seri halinde birbirini takip eden hücrelerden (selül) oluşmuştur. Her hücre bir evvelki hücrenin artığını alarak flotasyon işlemine tabi tutar. Her hücre arasında artığın geçebilmesi için bir bağlantı veya ara yerlerinde de artık akış plakası bulunur. Hücre içindeki pülpe hava girişi ve pülpün karıştırılması için üç şekilde gerçekleşir; a) Kendi kendine havalandırılmalı mekanik hücre (Ajitasyon) b) Hava üflemeli mekanik karıştırmalı hücre (Sub-aerasyon) c) Hava üflemeli, hava ile karıştırılmalı hücre (Pnömatik) Bu özellikler, değişik tipteki hücrelerin yapımında esas alınmaktadır. Halen endüstride en çok kullanılan hücre tipleri Danver, Fagergren, Humbold, Massco gibi firmaların imal ettiği kendi kendine havalandırılmalı mekanik hücre tipleridir. PELET ÜRETİMİ Danver flotasyon makinesi Demir cevheri peletleri; aglomerasyon ve sertleştirme yoluyla, demir yönünden zengin ince taneli mineraller olarak elde edilen endüstriyel şarj malzemeleridir. Demir peleti diğer şarj elemanlarından (demir cevheri parçaları ve sinter cevher) daha yüksek maliyete sahiptir. Bu dezavantajına rağmen sahip olduğu özellikler sayesinde yüksek fırının vazgeçilmez girdilerinden biridir. Peletlerin yüksek fırın için ideale yakın şarj malzemesi olmasının nedenleri aşağıdaki gibi özetlenebilir. Yüksek demir içerikleri (% Fe), Yüksek dayanım ve taşınabilme olanakları sayesinde, ufalanıp toz cevher haline dönmeme konusunda üstün dirençleri, Birbirine yakın boyutlarda olmaları nedeniyle iyi gaz geçirgenliği ve düzgün gaz dağılımı, Yüksek porozitelerinden dolayı iyi redüklenebilme özellikleri. İstenen özellikleri sağlamak koşuluyla yüksek 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. Pelet Üretimi Pelet üretiminde kullanılan demir konsantresinin tane büyüklüklerinin % i 0,045 mm (325 mesh) in altında olmalıdır. Klasik pelet üretimi için cevher taneleri iki temel işleme maruz kalmasına rağmen gerçekleştirilen proses aşağıdaki dört alt uygulamadan oluşmaktadır: 1- Harman hazırlamak 2- Yaş pelet üretimi (Yaş pelet-ham pelet) 3- Kurutma 4- Termik sertleştirme (Pişirme)

7 Harman Hazırlama Demir cevheri veya genellikle konsantresi uygun miktarda bağlayıcı (genellikle bentonit) ilavesiyle istenilen harman hazırlanır. Yapılan çalışmalar, konsantrelerin yüzeylerinin su ile kaplanabilmesi için su oranının % 7-10 olması, bentonit oranının ise % 0,5-1,5 olması gerektiğini ortaya çıkarmıştır. (Taneler ne kadar küçükse o kadar çok suya gereksinim vardır). Bentonit kullanmanın ana nedeni suyla beraberinde iyon değiştirme özelliğine de sahip olması ve şişme göstermesidir. Özellikler Na 2 O.K 2 O li bentonitin şişme özelliği çok iyidir. Yaş Pelet Üretimi Hazırlanan karışım aglomerasyon işleminin gerçekleştirileceği cihaza (tambur, tabla-disk veya kesik koni) belirli miktarda harman ve su ilave edilir. Cihazın dönme hareketine bağlı olarak gerek bentonit gerekse de suyun bağlayıcı etkisiyle topaklaşma başlar. Pelet oluşum aşamaları Aşağıdaki aşamaların gerçekleşmesi ile pelet üretimi tamamlanır: i. Çekirdekleşme (Az sayıda taneciğin bir araya gelerek ilk çekirdeği oluşturması) ii. Geçiş (Çekirdekten pelete doğru) iii. Oluşan peletlerin istenilen boyutlara ulaşması Düz pelet tablasında malzeme hareketi, a: Mukavemet kazanmış peletler, b: Büyüyen peletler ve toz, c: Çekirdek pelet ve toz. Peletin porozite ve yoğunluğu büyük ölçüde peletleme tablasındaki mekanik kuvvetlere bağlıdır. Bu kuvvetler peletin, tablanın alt kısmına düşmesiyle ortaya çıkar ve bu sebeple tabla çapma ve eğim açısına bağlıdırlar. Peletin düşme yüksekliği eğimin düşürülmesiyle azaltılabilir fakat işlem süresi artar. Yaş peletlerin gerilme mukavemeti Rumpf tarafından aşağıdaki eşitlik ile verilmektedir; ε: Taneler arasındaki toplam boşluk hacmi σ: Sıvının yüzey gerilimi d : Parti kül çapı Ortalama olarak e = 0,35 alınırsa; T 15 (σ/d) olur.

8 Bu eşitlikte de tane çapının küçülmesi ve tanelerarası boşlukların sıvı ile tam dolu olması sonucu yüzey geriliminin artmasıyla gerilme mukavemetinin arttığı görülmektedir. Yaş peletlerin su miktarına bağlı olarak üç değişik kademede ayırımı A. Yaş peletlerde su miktarının asgari olduğu kademe. Sadece cevher tanelerinin temas noktalarında sıvı köprüler teşekkül eder. B. Ara kademesi adlandırılan bu durumda tane aralarındaki boşlukların bazıları su ile doludur. C. Bu kademe yaş pelet tüm por hacminin su ile dolu olduğu durumu belirtir. Kurutma Elde edilen yaş peletin bir ön ısıtmaya tabi tutularak içerdiği nemden kısmi olarak arındırılması aşamasıdır. Bu işlem safhasında peletin çatlamasına yol açacak bir işlem uygulanmamasına dikkat edilmeli ve % 7-10 civarında olan rutubetin giderilmesi sağlanmalıdır. Termik sertleşme Oksitleyici atmosfer ortamında seramik kayıkçığa yerleştirilen peletler, O C aralığında bir sıcaklıkta fırında pişirilerek istenen mukavemet değerlerine ulaşması sağlanır. Peletlerin pişirilmesi, sinterleme ızgarası üzerinde, şaft fırınında ya da döner fırında yapılır. Yakıt, kömür tozu, sıvı ya da gaz olabilir. Hematit peletlerin pişirilmesinde bağlantı, kristalizasyon olayları ile anlatılmaktadır. Manyetit peletlerin pişirilmesinde yeterli oksijenin mevcudiyeti durumunda manyetit hematite dönüşür, oksijen köprüleri ve hematit taneciklerinin büyümesi ile bağlantı sağlanır. Silikatların, CaO ve diğer gang minerallerinin mevcudiyetinde cevher taneciklerinin arasında bu minerallerin oluşturduğu köprüler de pelet mukavemetinin nedenidir. Pişirme sonunda pelet mukavemeti en az kg. aralığındaki basma yüküne dayanacak kadar olmalıdır. Elde edilen pelet, yüksek fırına şarj edilebilir özellikleri sağlamış olacaktır.

9

10 2.2. ÜRETİM METALURJİSİ PİROMETALURJİ Kurutma Düşük sıcaklıklarda mekanik olarak karışmış rutubetin buharlaştırılması işlemidir. Kurutma işlemi ile mekanik olarak (kimyasal işlem söz konusu değil) cevher veya konsantredeki nem uzaklaştırılır. Genellikle yatay fırınlarla ve akışkan yataklı kurutucularla sağlanır. Suyun kaynama noktasının üstündeki bir sıcaklıkta atmosfer basıncında ısıtılarak yapılır. Nemli örnek -> tartım -> kurutma -> tartım (ağırlık kaybı elde edilir, %Nem : Ağırlık kaybı/ilk ağırlık * 100 ) Kalsinasyon Kalsinasyon, bir bileşiğin sıcaklık tesiriyle parçalanmasıdır. Pirometalurjik proseslerde özellikle karbonat ve hidratların kalsinasyonuyla her an karşılaşmak mümkündür. 100 derecenin üstündeki sıcaklıklarda kimyasal bileşimdeki kristal suyu buharlaştırılır. Karbonatlardaki CO 2 gazı bünyeden uzaklaştırılır. Kireç taşı (CaCO 3 ), magnezit (MgCO 3 ) ve dolomit (xcaco 3.yMgCO 3 ) gibi toprak alkali karbonatlar özellikle üretim metalurjisinde temel curuf yapıcı ve refrakter hammaddesi olarak yaygın kullanım alanı bulurlar. Bu bileşikler prosese katılmadan önce ya işlem sırasında mutlaka bir kalsiasyona tabi tutulurlar. Kireç taşının kalsinasyonu endüstriyel uygulamada değişik fırınlarda yapılmaktadır. İri parçalı kireç taşı için düşey fırınlar, ince taneli malzeme için döner fırınlar kullanılmaktadır. Düzgün tane dağılımı gösteren ince boyutlu kireç taşı akışkan yatak tipi fırınlarda kalsine edilebilir. Kalsinasyon fırınları katı, sıvı ve gaz yakıtların tümüyle ısıtılabilmektedir Kavurma Cevherin tabi halde içerdiği sülfür minerallerinin sonraki işleme uygun hale getirilmesi amacı ile uygun sıcaklıklarda (cevher içindeki metal sülfürlerin erimemesi şartı ile) ısıtılması işlemidir. Oksit Kavurması Sülfür minerallerinin daha sonra asit içinde çözünmeleri veya manyetik özellik temini için uygulanır. Redüksiyon Kavurması Oksit metal bileşimlerinin, H 2, C veya metal sülfürlerle birlikte ergime sıcaklıkları altında bir sıcaklıkta ısıtılması ile oksit miktarının azaltması için uygulanır. Sülfatlaştırma Kavurması Kavurma gazlarındaki O 2 ve SO 2 miktarlarının belirli seviyeler dahilinde tutulması işlemidir. Klorürleştirme Kavurması Tabii tuz ile birlikte bazı metal minerallerinin kavrulması ile buharlaşan metal klorürlerinin meydana gelmesidir Distilasyon Homojen bir sıvı karışımının buharlaştırılması sonucu teşekkül eden ve buhar fazında birden fazla bileşene sahip olan karışımın, bir veya daha fazla bileşeninin saf halde elde edilmesi istenen operasyonlar için kullanılır.

11 Distilasyon işlemi sıvı kaynatılarak yapılır. Daha uçucu özellikte olan, yani kaynama noktası düşük olan sıvı daha önce buhar fazına geçer. Sıvı karışımı ile dengede olan buhar fazının bileşimi sıvı fazdan farklıdır. Buhar fazı uçucu bileşen bakımından daha zengindir. Bu buhar yoğunlaştırılacak olursa, daha uçucu bileşen bakımından zengin sıvı elde edilir. Distilasyon işlemi bu temel ilkeye dayanır. Distilasyon, metallerin buharlaşma noktalarının yüksek olması sebebi ile cevherden ayrılması işlemidir. Sinober (HgS) den civa üretimi Sinterleme Genellikle yüksek ergime sıcaklığına sahip malzemelerin üretiminde uygulanan bir ısıl işlemdir. Toz metalurjisinde ve seramik üretim teknolojisinde (istisnalar hariç) üretim yöntemi ne olursa olsun yer alan sinterleme, malzemenin ergime sıcaklığına çıkmadan daha düşük sıcaklıklarda yoğunlaştırılmasını, mekanik, fiziksel, ısıl vb. özelliklerinin geliştirilmesini veya yükseltilmesini sağlayan bir prosestir. Toz cevherlerin aglomerasyon yolu ile yüksek fırın için istenen parça iriliğine, mukavemete ve gaz geçirgenliğine sahip duruma getirilmesi için sinterleme işlemi kullanılır. Sinterleme, pudra kütlesi (toz haldeki) içindeki partiküllerin atomlarının, ısının etkisi sonucu oluşan çekimle birbirine bağlanması olarak da tanımlanabilir. Sinterleşme genellikle pudra kıvamındaki malzemelerin erime noktalarının altında meydana gelir. Sıcaklığın artması ile pudra kütlesinin sertliği artarken elektriksel direnci ve gözenekliliği azalır. Tane yapısında bazı değişiklikler olur ve yeniden kristallenme ile tane büyümesi meydana gelir. Sinterleme yüksek sıcaklıklarda küçük cevher parçacıkların birbirine bağlanarak yüzeylerinin büyütülmesi işlemidir Ergitme (İzabe) Yüksek sıcaklıklarda yüksek tenörlü cevher veya konsantreden yarı rafine halde metal ve curuf elde edilir. Metal oksitlerin ergitme işleminde metal oksit kok ile redüklenir. Redükleyici ergitme çoğunlukla yüksek fırında ve bazen reverber veya elektrik ark fırınlarında iri cevher kok ve katkı maddeleri ile yapılır. Mat ergitmesi her zaman reverber fırınlarda toz cevher ve katkı maddesi ile yapılır. İzabe, Cevherin izabe fırınında yakıt ve yanma için gerekli hava yardımı ile ısıtılarak ergitilmesi, ilave edilen katkı malzemesinin etkisi ile cevher içerisindeki gang (değersiz, yetersiz miktarda olan) minerallerinin metalik fazdan ayrı bir cüruf denilen atık camsı silikat fazında toplanması işlemidir.

12 İzabe Çeşitleri: İzabe işlemi, pirometalurjide kavurmadan sonra, metalin elde edilmesi için gerekli olan reaksiyonların meydana gelmesini sağlar. İki şekilde uygulanabilir. Reaksiyonsuz ergitme: Ortama herhangi bir katkı malzemesi ilave etmeden elde edilen metallerin ticari şekillerini alabilmelerini sağlamak amacıyla yapılırlar. Reaksiyonlu ergitme: Dört gruba ayrılmaktadır. Cüruf oluşturarak yapılan ergitme, Oksitleştirici ergitme, Piritik ergitme Redüksiyonlu ergitme 1. Cüruf Oluşturarak Yapılan Ergitme (Reaksiyonlu Ergitme) İşlem, ürüne, cüruf oluşturucular (kireçtaşı dolomit gibi) ilave edilerek ürün içinde elde edilmesi amaçlanan metal dışı kısımları cürufta toplamak ve böylece cürufla beraber metali elde etme esasına dayanmaktadır. Redüksiyonlu ergitme işlemi içinde de kabul edilebilir. 2. Oksitleştirici Ergitme (Reaksiyonlu Ergitme)

13 Ergitme esnasında oksitleştirici etmenler (hava, bazı oksit bileşenleri, sülfat ve nitratlar gibi) etkisiyle ayrılacak metal dışı kısımları oksitleyerek ayırım gerçekleştirilir. Oksitleştirici ergitme daha çok bir rafinasyon işlemine girmektedir. 3. Piritik Ergitme (Reaksiyonlu Ergitme) Özellikle bakır metalurjisinde uygulama şansı bulan piritik ergitmede, ilk ateşleme ile reaksiyonlar için yeterli ısı meydana gelmekte, verilen havayla cüruf oluşturucu maddeler vasıtasıyla da hem kavurma işlemi, hem de ergitme işlemleri müşterek olarak yapılmaktadır. Bu tip işlemler için fazla miktarda pirit içeren bakır cevherleri gerekmektedir. Piritik ergitme uygulama bakımından sınırlıdır. 4. Redüksiyonlu Ergitme (Reaksiyonlu Ergitme) Önemli metallerin çoğu, oksitleri halinde bulunduklarından dolayı (demir, mangan, krom ve kalay gibi) ayrıca yine büyük kısmı metalurjik işlemler sonucu sülfürlü durumlarından oksitli durumlarına geçtiklerinden redüksiyonlu ergitme diğer ergitme yöntemlerine nazaran daha çok uygulama alanı bulmuştur. Bu nedenle üzerinde daha fazla durulması gereken bir yöntemdir. Cüruf oluşturarak yapılan ergitme işlemi redüksiyonlu ergitme işlemi içinde de kabul edilebilir. Çünkü redüksiyonlu ergitmede de cüruf oluşturmak önemli bir yer oluşturur. Hatta işlem redüksiyon sıcaklığına değil, cürufun erime sıcaklığına göre ayarlanmaktadır. ERGİTME FIRINLARI Cevher, konsantre, kalsine veya sinterden meydana gelen metalik ham maddelerin ergitilmesinde, söz konusu maddeye ve ergitme işlemine aşağıda sıralanan fırınlardan en uygun düşeni kullanılmaktadır. 1. Düşey (Yüksek) Fırın Düşey fırınlar, en çok kullanılan fırın tiplerinden biri olup, üstten şarj edilip, alttan boşaltılırlar. Hava (veya diğer gazlar) fırın tabanına yakın yerden, alttan fırına üflenip, şarj kitlesi arasından yukarı doğru yükselir. Fırına şarj edilen katı maddeler, fırını terk eden gazlar tarafından sürüklenmeyecek ölçüde iri parçalı olmalıdırlar. Yukarıdan inen katı şarj maddesi ile yukarıya yükselen gazlar arasında kimyasal reaksiyonlar olmaktadır. Fırına yakıt verildiğinde, o da şarj ile birlikte üstten doldurulur.

14 Düşey fırınlarda yakıt olarak kok kullanılır. Fırının gövdesi kalın çelik saçtan yapılıp, içi tamamen şamot tipindeki refrakter tuğla ile örülmüştür. Hazne ve taban kısmında kullanılan refrakter tuğlalar, en iyi kalite şamot cinsindendir. Bu tuğlaların; sıkı yapılı, sert ve üstün vasıflı olması gerekmektedir. Bazı işletmelerde şamot tuğla yerine karbon bloklar kullanılır. Refrakter tuğlaların fırın içindeki kalınlıkları; Gövde kısmında cm, Karın (Bosh) kısmında 75 cm. dir Gövde kısmının yukarılarında refrakter tuğla tabakaları arasına yatay olarak çelik aşınma plâkaları yerleştirilmiştir. Ayrıca karın kısmında içi boş soğutma plâkaları vardır.

15 Fırına verilen şarj, fırının iç boşluğunu tamamen doldurur. Şarj yavaş yavaş aşağı indikçe meydana gelen üstteki boşluğa yeni şarj maddesi verilir. Fırına verilen şarj maddelerinin tane büyüklükleri ne fırının tıkanmasına sebebiyet verecek şekilde ince, ne de gazların gerekli reaksiyonları yapmaya yeterli zaman süresince fırında kalmadan hızla fırından çıkmasına sebebiyet verecek şekilde iri olmalıdır. Genellikle fırının en sıcak olan kısmı, hava borularının (Tüyer) bulunduğu düzeyin biraz yukarısına rastlar. Bu bölgeye Ergitme Zonu (bölgesi) denir. Böylece yüksek sıcaklıktaki gazlar, fırın içinde yükselirken bir yandan istenen reaksiyonları yapar ve bir yandan da aşağıya doğru inen soğuk şarjın gittikçe ısınmasını sağlamış olur. Bu bakımdan düşey fırınların termik randımanları yüksektir. Düşey fırınlara en iyi örneği, demir ve çelik ergitme tesislerinde kullanılan yüksek fırın teşkil eder. Demir dışı metallerin üretiminde de düşey fırınlar kullanılmaktadır. Bakır, kurşun, çinko, nikel cevherlerinin ergitilmesinde 5-6 metre yükseklikte düşey fırınlar kullanılırlar. Düşey fırınlar, oksitleyici veya redükleyici gaz ortamlarında çalıştırılırlar. Örneğin; oksit cevherlerin ergitilmesinde fazla miktarda kok kullanmak suretiyle fırın içinde yeteri kadar redüktif bir gaz ortamı sağlanmaktadır. Oksit demir, kurşun, bakır ve çinko cevherlerinin ergitilmesinde redüktif bir gaz ortamı temin edilir. Bazı hallerde, Örneğin; piritli sülfür bakır cevherlerinin piritik veya yarı piritik metotlarla ergitilmesinde oksitleyici bir gaz ortamı sağlanır ki, pirit ve bakır sülfürler kolayca okside olabilsinler. Bu gibi hallerde, yakıta yeterinden daha fazla hava kullanılır. Düşey fırınların Tüyer mıntıkası daima su ile soğutulan ceketlerle yapılır. Fırın içindeki metalurjik kok sıcak hava ile yakılır ve meydana CO 2 çıkar. Bu CO 2 yüksek sıcaklıklarda C ile yeniden bir reaksiyona girerek CO oluşturur. Doymamış bir bağlantı olan CO yanıcıdır ve oksijenle birleşme eğilimindedir. Bu nedenle de çok iyi bir redükleyici ortamdır. Değişik sıcaklık basamaklarında kademeli olarak redüksiyonları meydana getirir. Bu arada fırın içerisine giren azotun hiçbir reaksiyonda rolü yoktur. Fırının alt çevresinde homojen aralıklarla dizilmiş hava delikleri vardır ve hava homojen olarak sisteme verilir.

16 Hava çemberinde yanma başlar. Alev çemberi, fırın içinde çok önemlidir. Hava; gazlar yukarı çıkarken alevde yukarı doğru olacağından basınçlı olarak verilmelidir. Alev sıcaklığının çok yükselmesi, bu bölgedeki refrakterlerin dayanıklı olmasını gerektirir. Bu nedenle tüyerlerden üflenen havanın içine tüyer ağzından su püskürtülür. Tüyerlerin ağzında oluşan alevin sıcaklığı 1300 C'ye kadar çıkabilir. Tüyerler sıcak hava sobalarında ısıtılan havayı fırının içerisine üflemek için kullanılırlar. Tüyerler bakır ya da bronzdan yapılmışlardır. Erken aşınmasını ve çabuk devreden çıkmasını önlemek için soğutma suyu sistemine sahiptirler ve çift kanallıdırlar. Fırın içerisinde yanmayı sağlayan hava, kok tasarrufunda bulunmak ve fırın içi sıcaklığını düşürmemek amacıyla sobalarda ısıtılarak fırın içerisine gönderilir. Yüksek fırına yukarıdan kok şarj edilir. Hava verilir + Alev (ateşleme) C +O 2 + 3,76 N 2 => CO 2 + 3,76 N 2 Bu reaksiyon cal veren ekzotermik (ısı veren) bir reaksiyondur. Bu reaksiyon sonucu bir alev meydana gelir ( C). Yüksek Fırından cüruf denilen atık camsı silikat bir faz, pik demir denilen metalik faz ve baca gazları alınır. Elde edilen pik demirde, Si, P vb. empüritelerin yanısıra Mn, Mg, C gibi elementler de vardır. Pik demirdeki manganın fazla olması demirin karbonla Fe 3 C (sementit) şeklinde bileşik yapmasını kolaylaştırır ve elde edilen pik demirdeki sementit fazından dolayı beyaz renktedir. Bu tür pik demir çelik üretiminde kullanılır. Eğer mangan yerine pik demirde silisyum daha fazla bulunuyorsa silisyum pik demirin soğumasını yavaşlatacak ve pik demirdeki karbonun serbest halde yani grafit halde bulunmasını sağlar.

17 Bu durumda grafitin renginden dolayı elde edilen pik demir esmer renkte olacaktır ve esmer pikdemir olarak isimlendirilir. Bu tür pik demir daha çok dökme demir parçaların üretiminde tüketilmektedir. Beyaz pik demir sert ve aşınmaya dayanıklı buna karşılık esmer pik demir yumuşak ve kırılgandır. Türkiye'de birincil kaynaklardan üretimi yapılan başlıca metal ve alaşımlar; demir-çelik, alüminyum, bakır, çinko, kurşun, civa, kadmiyum, ferrokrom, antimon, gümüş'tür. Bir ülkenin sanayileşmesinde, demir çelik sanayinin önemi tartışma götürmez bir gerçek olup günümüzde ülkelerin uluslar arası gelişmişlik düzeyi, kişi başına düşen demir-çelik üretim miktarıyla ölçülür hale gelmiştir. Son yıllarda Türkiye'de bu alanda olumlu atılımlar yapılmaktadır. 2. Reverber fırınları: Yatay fırınlar olup, değişik boyutta ve birçok metalürjik işlemde kullanılmaktadır. Bunların en önemlileri; (1) Çelik üretiminde kullanılan Siemens - Martin (2) Sülfür bakır konsantrelerinin ergitilmesinde kullanılan büyük reverber fırınlardır. Reverber fırını, daha ziyade bir eritme fırınıdır.

18 Derin bir taban kısmı, yan duvarları, ön ve arka duvarı ve tavandan meydana gelmektedir. Fırın dik dörtgen bir prizma şeklindedir. Ön duvara yerleştirilmiş brülörler vasıtasıyla ısıtılırlar. Uzun alevli yakıtlar (gaz, akar yakıt veya pulverize kömür) kullanılıp, alevlerin şarj edilmiş olan malzemeye temas etmesi arzu edilir. Tavan, alevlerin sağladığı ısı ile ısınmakta ve radyasyon yoluyla şarjı ısıtmaktadır. Gazlarla sürüklenen tozlar, tavanın aşınmasına sebep olurlar. Tavanın yapıldığı refrakter malzeme, bu tozların kolayca reaksiyon yapabileceği kimyasal yapıda ise, tavanın aşınıp tahribata uğraması çabuk olur. Bu nedenle tozların asit veya bazik karakterde oluşuna göre, tavanda kullanılacak refrakter tuğlaların da eşit karakterde, asit veya bazik olmasına dikkat edilir. Yakıt veya yanma ürünleri ile fırın içindeki şarj arasında çok az reaksiyon olur. Yakıt, fırına gerekli ısıyı sağlamak amacıyla kullanılır ve temin ettiği ısı, daha çok radyasyon yoluyla şarja geçer. Buna karşılık düşey fırınlarda yakıtın yanmasıyla elde edilen redüktif gazlar ekseriya şarj malzemesi ile reaksiyon yapar. Reverber fırınından çıkan gazların sıcaklığı genellikle çok yüksek olduğundan dolayı reverber fırınlarının termik randımanları çok düşüktür. Bu gazların yüksek ısılarından faydalanmak için buhar üretmek üzere gaz kazanlarına sevk edilirler. Fırının termik randımanını arttırmak amacıyla yan duvarlar ve tavanın ısıyı iletmeyen (örneğin asbest) malzeme ile kaplandığına rastlanmaktadır.

19 Reverber Fırınını diğer fırınlardan ayıran en önemli özellik yakıtın şarj içinde değil özellikle şarj dışında yanmasıdır. Bu fırında nötr veya hafif oksitleyici atmosferle çalışılır. Flotasyonla zenginleştirilen bakır konsantrelerinden konvansiyonel izabe yöntemleri kullanılarak ya reverber ergitmesi + konvertör, ya da flaş ergitmesi + konvertör sistemi şeklinde yapılmaktadır. Reverber fırınlarında amaç, yüksek tenörlü mat elde etmekten ziyade bütün bakır konsantresini bünyesinde toplayabilmektir. Sıcak konsantreler gerekli cüruf yapıcılarla fırına şarj edilir, kısa sürede ergime zonuna yayılır, ergime sonucu bakır matı oluşur, gang ürünleri ise silikat cürufuna dönüşür. Fırına flotasyondan direkt olarak veya kavurmadan elde edilen bakır konsantresi ile birlikte cüruf oluşturucular ilave edilerek bakır matı oluşturulur. Curuf yapıcı olarak (CaCO 3 ) ve (SiO 2 ) kullanılmaktadır. Reverber fırınlarında bu tepkimelere göre mat, cüruf, ve gaz olmak üzere üç ayrı ürün elde edilir. Bakır oksitler sülfür haline geçmekte ve demirin bir kısmı da cürufa geçmektedir.

20 Şarj malzemesinde bakır oksitler yoksa, bakır sülfürler cürufta fazlaca çözünmediğinden, cürufa geçen bakır miktarı azalır. Reverber fırınına giren şarj malzemesinin içerdiği kükürt miktarı oluşacak matın tenörünü belirler. Elde edilen mat en çok % oranında bakır içermektedir Bakır cevherinin izabe ürünü MAT adı verilen ergimiş sıvı demir ve bakır sülfür çözeltisidir. Mat Bileşimi : X FeS, y Cu 2 S Mat Derecesi : Mat içerisindeki % Cu Endüstriyel mat derecesi % Cu dır.

21

22 3. Muf (Retort) fırınları : Bu tip fırınlar, şarjın alev veya hava ile temas etmemesi istendiği hallerde kullanılırlar. Şarjın ısınması, endirekt ısıtma ile sağlanır. Yakıtın yanması sonucu elde edilen alevler şarjın içinde bulunduğu refrakter muf (retort) fırınını dıştan ısıtır ve ısı yavaş yavaş retort'un içindeki şarja geçmiş olur. Genellikle bu tip fırınların termik randımanları düşüktür. Termik randımanı arttırmak amacıyla muf yapımında kullanılan refrakter malzemenin ısı iletkenliğinin yüksek olması istenir. Pirometalürjik metotlarla çinko, kadmiyum ve cıva üretilmesinde muf tipi fırınlar kullanılırlar. Yakıt olarak kok başta olmak üzere gaz, sıvı yakıtlar ve pulverize kömür kullanılabilmektedir. Aşağıdaki Şekil, pirometalürjik metotlarla çinko üretiminde kullanılan muf fırınlarına ait bir kesiti göstermektedir. Bu tip fırınlara, destilasyon fırınları da denmektedir. Çinko Retort Damıtma Fırını Muffle Fırını ve Yoğunlaştırıcı

23 4. Pota Fırınları Pota fırınları da bir çeşit retort fırını olarak düşünülebilir. Ancak tamamen kapalı olmadıkları için onlardan farklıdırlar. Potalar kullanılacağı yere göre değişik ölçülerde ve ısı iletkenliği yüksek olan grafitten yapılırlar. Grafiti yalnız kullanarak sağlam bir pota yapılması zor olduğu için, ekseriya değişik miktarlarda kil (bağlayıcı) ile birlikte pota yapılır. Kil miktarı arttıkça Potanın kalitesi de düşer. Bu da yapılan potanın ısı iletkenliğinin, kilin artmasıyla azalmasından ileri gelmektedir. Isı iletkenliği, oldukça yüksek olan bir refrakter madde olan Silisyum Karbür de pota imalinde çok kullanılmaktadır. Silisyum karbürden yapılan potalar daha sağlam ve ısı iletkenlikleri de grafit potalardan daha yüksektir. Pota fırınları çoğunlukla döküm işlerinde kullanılır ve ufak dökümhanelerin en çok tercih edilen bir fırın tipidir. Pota fırınları her çeşit yakıt ile ısıtılmakla beraber daha ziyade akar yakıtlar ve ucuz temin edildiği zaman gaz yakıtlar kullanılmaktadır. Bu tip fırınların diğer bir avantajı da; çabuk ısıtılıp, kısa zamanda döküm yapılabilmesidir. 5. Rotary fırınlar : Silindirik şekilli fırınlardır, boyları ve çapları; yapılacak metalürjik işlemin cinsine göre farklıdır. Çelik gövdenin içi ateşe dayanıklı refrakter tuğla ile örülür. Yakıt, fırının alt ucundan yakılıp, gazlar fırını üst uçtan terk eder. Rotary fırınları da kurutma, kalsinasyon ve destilasyon maksadıyla kullanılırlar. Civanın ergitilmesinde kullanılan bir rotary fırın aşağıda verilmiştir.

24 6. Elektrik fırınları : Elektrik fırınları, demir veya demir dışı metallerin ergitilmesinde kullanılışlarında prensip bakımından hiçbir fark göstermezler. Elektrik fırınları başlıca iki görev yaparlar; Enerji cihazı olarak, reaksiyonların istenen şekilde gelişmesini temin etmek, İstenen özelliği temin etmek amacıyla bir karışım, sıvı ve gaz haline getirildiği gibi, istenen durumlarda da muhafazaya yaramakta ve söz konusu malzemenin mekanik olarak kontrol edilebilmesini mümkün kılmaktır. Elektrik Fırınlarının sınıflandırılması: Elektrolitik uygulama hariç tutulmak suretiyle, endüstride hemen her zaman alternatif akım fırınları kullanılır.. Alışılmış bir sınıflandırmaya göre fırınlar 3 gruba ayrılırlar:

25 Direnç fırınları, Ark fırınları, Endüksiyon fırınları. A. Direnç fırınları: Bu fırınlar iki tiptir; (1) elektrik akımı, yüksek amperaj ile eriyecek maddeden geçer ve bu maddenin gösterdiği direnç sonucu meydana gelen ısının etkisiyle erime olur. (2) akımın geçtiği özel bir direnç maddesi kullanılır ve o ısıtılmış olur. Bu direnç maddesi, direkt radyasyon ile ısısını şarja vermiş olur.