3/25/2016 YÜKSEK FIRIN REAKSİYONLARI

Transkript

1 YÜKSEK FIRIN REAKSİYONLARI Demir oksitler hematit (Fe 2 O 3 ), magnetit (Fe 3 O 4 ) ve wüstit (FeO) olmak üzere 3 çeşittir. Bu oksitler fırın içerisinde kısımlar halinde indirgenirler. Yüksek fırın ters akımlı bir proses olduğundan yüksek CO içeren tüyer gazı, demire indirgenebilmesi için yüksek indirgeme potansiyeli gereken FeO ile reaksiyona girer. Sonuçta açığa çıkan düşük potansiyelli gaz, malzeme içerisinde yükselirken indirgenmeleri için daha az CO/CO 2 oranı gereken magnetit ve hematit ile karşılaşır. Bu nedenle wüstitin indirgenmesi demir oksit indirgenme reaksiyonları arasında en önemli sırayı alır. Çünkü yaklaşık %70 hematit oksijeni FeO halinde bulunur. 1 2 Aşağıdaki reaksiyonlar dolaylı (indirek) reaksiyonlar diye isimlendirilir ve bu reaksiyonlar sonucunda CO 2 açığa çıkar. (25) (26) (27) Sıcaklığın 1000 o C'yi aştığı herhangi bir bölgede redüklenmemiş FeO mevcut ise reaksiyon (27) sonucu açığa çıkan CO 2 aşağıdaki raeksiyon sonucu süratle karbon tarafından indirgenir. H = kj (28) (27) ve (28) deklemleri birleştirilirse; (27) (28) FeO + C = Fe + CO H = kj (29) Reaksiyon (28) Boudouard reaksiyonu veya karbon gazlaşma reaksiyonu olarak bilinen yüksek derecede endotermik aynı zamanda da CO kullanımını bozan bir reaksiyondur. 3 4 Reaksiyon (29) ise, FeO + C = Fe + CO H = kj (29) direk indirgeme reaksiyonu olarak adlandırılır ve dolaylı (endirek) indirgemeye kıyasla endotermiktir (ısı alan). Ama ayrılan her mol oksijen başına daha az karbon tüketir. Çünkü oluşan CO bir sonraki dolaylı indirgeme reaksiyonunda tekrar reaksiyona girecektir o C'lik bir alev sıcaklığına sahip tüyer gazı, yükselerek fırını terk ettiği noktada o C'ye düşerken, şarj malzemeleri ise aşağıya doğru olan hareketlerinde o C'ye ulaşırlar. Şekil 6. Fırın sıcaklık bölgeleri Şekil 6 da gösterildiği gibi fırında üç ayrı sıcaklık bölgesi vardır. Alt ve üst sıcaklık bölgelerindeki toplam ısı ihtiyacı yükselen gazlardan sağlanır. Orta sıcaklık bölgesinde ( o C) çok az bir ısı transferi gerçekleşir ve bu bölgede sıcaklık yaklaşık sabittir. Bu bölgelerdeki reksiyonlar aşağıda belirtilmiştir

2 1- Alt bölge reaksiyonları Alt bölge ve ergime bölgesi tüyer seviyesinden 3.5 metre yukarıya doğru uzanır. Bu bölgede erimiş malzemenin sıcaklığı o C'ye ulaşır ve gaz sıcaklığı o C'ye kadar düşer. Kokun tüyerler önünde yanması sonucu, haznenin çevresinde (tüyer önlerinde) sürekli olarak hava boşlukları oluşur. Böylece yanan kokun boşalttığı hacim nedeni ile şarj malzemeleri aşağı doğru hareket eder. Yanma bölgesinin şekli ve boyutu düzgün gaz dağılımı ve şarj malzemelerinin inişi için önemlidir. Flaks ile karışmış demir harici oksit malzemeler fırının bel (belly) bölgesinde kısmen erimeye başlarlar. Burada birbirine karışmayan iki faz oluşmaya başlar. FeO + C = Fe + CO CaO + SiO2 CaSiO Daha sonra bu iki sıvı faz birbirlerinden ayrılırlar. Bu cürufun fırın dışına alınabilmesi için akışkan olması gerekmektedir. Uygun bir kompozisyonundaki cüruf o C arasında sıvı fazdadır ve 1500 o C'deki akışkanlığı 10 poise olmalıdır. Bunun sonucunda cürufun baziklik oranı Cürufun fırından rahatça tahliye edilebilmesi için gerekli olan en düşük hazne sıcaklığ Kritik hazne sıcaklığı olarak adlandırılır ve o C arasındadır. (%CaO + %MgO)/(%SiO 2 + %Al 2 O 3 ) = dir Alt bölgedeki diğer reaksiyonlar şunlardır; Fırının alt kısımlarında Fe için gerçekleşen direkt ve endirekt redüksiyon reaksiyonları aşağıda tabloda verilmiştir. CO ile redüksiyon ΔH. H 2 ile redüksiyon ΔH Not edilmesi gereken bir durum, direkt redüksiyon reaksiyonları büyük miktarlarda ısı absorbe ederler. Ancak endirekt redüksiyon reaksiyonları için gerekli olan CO gazını üretmek için bunlar gerekli reaksiyonlardır

3 2- Orta bölge reaksiyonları Gaz ve katı sıcaklıklarının hemen hemen eşit olduğu ( o C) orta bölgeye izotermal veya termal rezerv bölgesi denir. Çoğu dolaylı (indirek) reaksiyonlar bu bölgede olduğundan bu bölgeye indirek indirgeme bölgesi de denir. İyi çalışan bir fırında bu alan fırın hacminin %50-60'ını kapsar. Reaksiyon de gösterildiği gibi demir oksitlerin indirgenmesi bu bölgede olur. Bu bölgenin genişliği çok önemlidir. Çünkü FeO (wüstit) mümkün olduğu kadar fazla indirek reaksiyon ile elde edilmelidir. Bu bölgenin başlangıcı, fırın içerisinde yüksek miktarda endotermik reaksiyonların başladığı yerlere, ısı transfer verimliliğine ve fırının farklı kesitlerindeki homojen gaz dağılımına bağlıdır Bu bölgede gaz kompozisyonu çok az değişmekte ve hammadde ile gaz arasında çok az oksijen değişimi olmaktadır ve CO/CO 2 oranı 2.3'tür. Bu nedenle bu bölgedeki kok sarfiyatı oldukça azdır. Bu bölgede meydana gelen diğer bir önemli reaksiyon su-gazı değişim reaksiyonudur; CO + H 2 O = CO 2 + H 2 Bu reaksiyon sonucu CO'dan daha aktif bir indirgeyici gaz olan hidrojen üretilir. Reaksiyona giren rutubet (H 2 O); demir oksitlerin hidrojen ile indirgenmesi sonucu oluşabileceği gibi, sıcak hava, buhar ve/veya hidrokarbon enjeksiyonu ile birlikte de fırına girer. CO + H 2 O = CO 2 + H Üst bölge reaksiyonları 1 C+ --O 2 CO 2 C+H 2O CO+H 2 Sıcak nemli havadan Fırın üst bölgesinde, diğer bir deyişle ön ısıtma veya hazırlama bölgesinde orta bölgeden yükselen gazın sıcaklığı süratli bir şekilde o C'den o C ye düşer. Şarj malzemelerinin sıcaklığı ise ortam sıcaklığından 800 o C ye kadar yükselir. Bu bölgede meydana gelen önemli reaksiyonlarşunlardır; COileredükleme H 2 ileredükleme a- Karbonatların (Kalsiyum hariç) parçalanmaları, -16.1kJ +25.1kJ FeO + CO Fe+ CO 2 FeO+ H2 Fe+ H2O C + CO kJ kJ CO C + H 2 O CO+ H kJ kJ FeO + C Fe+ CO FeO + C Fe+ CO b-şarj malzemelerinin nem ve hidratının buharlaştırılması. c- Karbon birikmesi, 2CO = CO2 + C

4 d- Hematit ve manyetitin kısmi yada bütünüyle oksitlerine indirgenmesi. Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO2 3Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 (600 C) (450 C) Bu çalışmalar ışığında görülmüştür ki, çok verimli çalışan proseslerde demirin 1/3 ü aşağıdaki reaksiyonlarla gerçekleşmektedir. Şarj malzemelerinin fırın tepesinden tüyer seviyesine inmesi 6 8 saat sürer. Her üç bölgede şarjların ne kadar süre kaldıkları tam olarak hesaplanamaz. Oluşan gaz ise fırında 10 saniye gibi bir süre kalır Bu durumun sağlanması için en önemli adım, fırının bu şartları sağlayacak şekilde dizayn edilmesi ve böylece üretilen gazların efektif olarak kullanılmasıyla olur Pik Demir Sıvı halde fırından dışarı alınan metale pik denmektedir. Kullanılan ham maddenin bileşimine ve çalışma şartlarına bağlı olarak elde edilen pik demirin bileşimi aşağıda verilen sınırlar arasında değişmektedir

5 Elde edilen pik demirdeki Mn ve Si oranı yüksek fırındaki kullanılan cevher ve kireç taşındaki miktarlarına bağlı olarak değişmektedir. Pik demirdeki manganın fazla olması demirin karbonla Fe 3 C 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 sağlayacaktır. Bu durumda grafitin renginden dolayı elde edilen pik demir esmer renkte olacaktır ve esmer pik demir olarak isimlendirilir. Bu tür pik demir daha çok dökme demir imalinde kullanılır. Beyaz pik demir sert ve aşınmaya dayanıklı buna karşılık esmer pik demir yumuşak ve kırılgandır

6

7 Cüruf Yüksek fırın cürufunu teşkil eden başlıca oksitler (CaO, Al 2 O 3, SiO 2 ) olup, bunlara ilaveten az miktarda (MgO, MnO, FeO, CaS) de bulunmaktadır. Yüksek fırından alınan cürufun yaklaşık olarak kompozisyonu aşağıda verildiği şekildedir

8 Bu sınırlar içinde olan cüruflar o C civarında erirler. İyi bir cüruf mümkün olduğunca düşük ısıda erimeli ve demir damlalarının cüruf tabakası içinden rahatça süzülebilmesi için yeter derece akışkan olmalıdır. Bu iki özellikte uygun kimyasal bileşimle sağlanır. Genel olarak yüksek fırında her dökümde iki defa cüruf alınır ve 1 ton sıcak metalde karşılık ton cüruf ele geçer Yüksek fırın cürufları çeşitli yerlerde kullanılmaktadır. Cürufların büyük kısmı kırılıp istenen ölçülere getirildikten sonra, demir yolu traverslerinin altına ve yol yapımında kullanılmasıdır. Minimum % 12 alümina içeren, ani soğumadan sonra camsı yapıyı koruyan yüksek fırın cürufları çimento yapımına uygundur. Çimento yapımında kullanılan cürufların granüle hale getirilmesi gerekir Cürufu granüle hale getirmek için değişik yöntemler vardır. Sıvı cüruf kısmen su ile doldurulmuş bir çukura dökülerek veya cüruf akımına su püskürtülerek granüle edilebilir. Ayrıca cüruf katılaşırken üzerine hava veya buhar üflenerek hafif, yanmaz ve ısıya yalıtkan bir malzeme cüruf yünü elde edilir. 47 Fırın Gazı Ergitme bölgesinde meydana gelen gazlar esas itibariyle N 2 ve CO den ibaret olup, havadaki su buharının parçalanması sonucu az miktarda da hidrojen ihtiva etmektedir. Bu gazlar şarj kitlesi arasından geçerken CO gazının oksitleri indirgemesi sonucu CO gazlarının bir kısmı CO 2 e dönüşür. Ayrıca karbonatların parçalanması sonucu ortaya çıkan CO 2 gazı da bu gazlara karışmış olacaktır. Yüksek fırını bacadan terk eden gazların yaklaşık olarak kompozisyonu aşağıda verilmiştir. 48 8

9 Yüksek fırını terk eden gazlar bir boru vasıtasıyla üst kısımdan toz toplayıcıya verilir. Buradan gazın hızı ve dolayısıyla toz taşıma özelliği azalır ve gaz içindeki tozun büyük bir kısmın bırakır. Yüksek fırın gazındaki toz parçacıklarının büyükleri 2 mm. den birkaç mikrona kadar değişir. 20 mesh ten (841 µm) küçük olanlar toz toplayıcıda çökelmeyip gaz ile beraber sürüklenir. Toz toplayıcıdan çıkan gaz yıkayıcıya gelir. 49 Burada gaz akımına su püskürtülerek içindeki parçacıklar ıslatılır. Islanan parçacıklar ağırlaşır ve su ile sürüklenir. Yıkayıcıda gazın içindeki tozun %90 95 i giderilir. Gaz burada soğuma kulesine geçer ve üzerine sıvı püskürtülerek sıcaklığı azaltılır. Soğuyan gazın sonra nemi alınır. Temizlenen gaz yüksek fırına üflenen havayı ısıtan sobaları ısıtmada, kok fırınlarında kullanılır. Elde edilen toz sinterlenerek yine yüksek fırında kullanılır. 50 9