ERDEMİR SÜREKLİ GALVANİZLEME HATTINDA ÜRETİLECEK ÇELİKLER VE ÖZELLİKLERİ

Transkript

1 ERDEMİR SÜREKLİ GALVANİZLEME HATTINDA ÜRETİLECEK ÇELİKLER VE ÖZELLİKLERİ Celal YEŞİL Gökhan ERDEM Özet: Genel anlamda ticari olarak çelik yüzeyini korozif ortamlardan korumak için uygulanan en önemli proseslerden biri çinko kaplamadır. Galvanizli çelik saclar otomobil üretiminden, electrikli ev aletleri, iş yeri araç ve gereçleri ile korozyonun söz konusu olduğu konstrüksiyon ve imalat sanayinde büyük bir kullanım alanı bulmuştur. Her tüketim yerinin galvanizli sactan beklentileri farklı olduğundan ve bu farklılıklara cevap verebilmek ancak ileri teknoloji kullanımını gerektirmiştir. Gerekli yüksek teknolojiye sahip CGL hatlarının kurulması tek başına istenilen kalitenin oluşturulmasında yeterli olmamaktadır. Galvanize olacak çeliklerden talep edilen özelliklerin sağlanmasında çelik üretiminden başlayarak sıcak haddeleme, soğuk haddeleme prosesi belirleyici olmaktadır. Bu çalışmada, galvanizleme yöntemleri, galvaniz kaplama çeşitleri, Erdemir Sürekli Galvanizleme hattından üretilecek çelikler ve özelikleri ile kaliteyi tespit edici standart testler ve proses testleri üzerinde durulacaktır. Anahtar sözcükler: Sürekli Galvanizleme Hattı, Çinko Kaplama, Kimyasal Bileşim ve Mekanik Özellikler. 1. GİRİŞ Korozyonun ülke ekonomisine maliyeti gayri safi milli hasilanın (GSMH) %3.5-5 i arasındadır. Türk ekonomisine maliyeti ise %4.6 olarak tesbit edilmiştir [1]. Ülkemiz yılda yaklaşık 10 milyon ton çelik kullanmaktadır. Genelde yıllık çelik tüketiminin % 10'u cıvarındaki bir miktarın yıl sonuna kadar korozyon nedeni ile kullanılamaz duruma geldiği belirlenmiştir ve bu da yılda 1 milyon ton çelik demektir. İşte bu zararı enaza indirme yöntemi olarak metal yüzeylerinin başka bir metalle veya organik boyalarla kaplamak gelir. Metal yüzeylerini korozyona karşı koruma amacı ile yapılan kaplamanın ilk anda içinde bulunduğu ortama, üzerine kapladığı metalden daha dayanıklı olması gerekmektedir. Ancak bu çeşit bir yaklaşım hem faydalı hem de zararlı sonuçlar verebilmektedir. Oysa çelik yüzeyine korozif ortama karşı çelikten daha dayanıksız bir kaplama yapılırsa çelik çözünmeden önce bu kaplama çözünecektir. Yani çelik bunu korumak için kendisini feda eden bir metal tarafından korunacaktır. Bu yöntem sacın korunmasında her zaman etkilidir olmuş olup başarısızlık şansı yoktur. Çinko metali havada, suda, toprakta çelikten daha önce çözünmeye hazır bir metaldir. Çelik üzerine kaplandığında ise ortamın çeliği çözmesine müsade etmez. Önce kendisi çözünerek çeliği korur. Çinkonun bu çözünme ömrünü uzatmak karmaşık ve pahalı teknolojileri gerektirebilir. Amaç, talep edilen özelliklerdeki saçların üretimini ekonomik boyutlarda yapmaktır. Erdemir Galvanizleme Hattı proses seçiminde hedef sektör olarak otomobil sektörü seçilmiş, beyaz esya ve imalat sanayiinin kalite taleplerinin karşılanması amaçlanmıştır. 2. GALVANİZLEME KAPLAMA YÖNTEMLERİ Demir esaslı malzemeler çok değişik yöntemler ile kaplanabilmektedirler. En çok kullanılan galvaniz kaplama yöntemleri şunlardır: [2] 1. Sıcak Daldırma Yöntemi ile Çinko Kaplama 2. Elektrolitik Yöntemler ile Kaplama Sıcak daldırma ile çinko kaplama prosesinde çelik malzeme sıvı çinko metalini içeren bir potaya daldırılıp çıkartma sırasında yüzeyde soğuma sonucu oluşan çinko tabakası ile kaplanma şeklinde olmaktadır. Elektrolitik kaplamada ise sulu çinko iyonları içeren çözeltiye daldırılan metalden elektrik akımı geçirilerek çinkonun metal halinde çelik yüzeyinde açığa çıkarılması şeklinde yapılan kaplamadır. Sıcak daldırma ile kaplamanın elektrolitik kaplamaya göre farklar ve avantajları şunlardır. 1. Metaller arası fiziko-kimyasal bağ oluşturulabilmesi 2. Saç genişliği ve şerit boyunca homojen kalınlık dağılımı 3. Kaplama yüzey kalitesi 4. Farklı kaplamaların üretilmesinde kolaylık 5. Full Hard malzeme işlenebilme özelliği 481

2 Galvaniz kaplamadan beklenen başlıca özellikler şunlardır : [3] 1. İyi Şekillenebilme 2. Boyanabilirlik 3. Kaynak Kabiliyeti 4. Korozyona Karşı Uzun Ömür 5. Puntanabilme 6. Kaplamada Düşük Sürtünme Katsayısı 7. Mükemmel Yüzey kalitesi 8. Uniform ve İnce Zn Tabakası 9. Şekillenmeden sonra düzgün yüzey (yüzey kalitesi) 10. Spesifik Yüzey Pürüzlülüğü 3. ERDEMİR GALVANİZLEME HATTININ GENEL ÖZELLİKLERİ Erdemir de kurulan tesis için, dünyada uygulanmakta olan başlıca 2 tip sürekli galvanizleme (Sıcak Daldırmalı ve Elektro Galvanizleme) teknolojisinden biri olan Sıcak Daldırmalı Galvanizleme (Hot-Dip Galvanizing) tercih edilmiştir. Otomotiv sektörünün ihtiyacı daha kaliteli bobinler yanında, genel kullanım amaçlı galvanizli sacların da ekonomik üretimini sağlamak açısından sıcak daldırmalı tip galvanizlemeye öncelik verilmiştir. Galvanizleme ünitesi sürekli tavlama prosesi ile birleştirilmiş ve tam bir otomasyon sağlanmıştır (Şekil.1). Böylece tandem haddeleme kapasitemizdeki fazlalığın önemli bir bölümü de tavlanarak galvanizlenmiş olacaktır. Sıcak Daldırma Prosesi ile kaplamanın ERDEMİR de tercih edilmesinin başlıca nedenleri şöyle sıralanabilir : 1. Girdi malzeme olarak full hard malzeme kullanılması 2. Üretim ve yatırım maliyetlerinin düşük olması 3. Ürün çeşitliliği açısından değişik türden kaplama türlerinin üretilme imkanı 4. İstenen kaplama kalınlığının kolayca üretilebilmesi 5. Fiziko kimyasal bağın kolayca oluşturulabilmesi 6. Şerit genişliği ve şerit boyunca homojen kalınlık dağılımı 7. Kaplama yüzey kalitesinde mükemmelik Ulaşılan teknik olanaklar çerçevesinde, yüksek kapasiteli Sürekli Galvanizleme Hatlarının max. hızları m/dak. arasında seçilmektedir. Galvaniz banyosundan çıkan sacın üzerindeki fazla galvanizin hava (yada azot) üflenerek sıyrılması zorunluluğu nedeniyle istenen kaplama kalınlığı için daha yüksek hızlarda iyi sonuç alınamamaktadır. Ayrıca otomotive yönelik (GA) malzeme üretiminde ise max. 120 m/dak hıza ulaşılabilmektedir. Bu nedenlerle öngördüğümüz üretim kapasitesi için max. hat (proses) hızı olarak 150 m/dak seçimi uygun bulunmuştur. Tesis, ÇİNKO Kaplama (Zn), GALVANNEAL (Zn / Fe) gibi başlıca galvaniz çeşitlerini "Zero SPANGLE" özelliğinde üretebilecek yeterliktedir. Hat bünyesinde tavlama fırını ve soğutma üniteleri bulunacağından, ülkemizdeki diğer küçük kapasiteli galvanizleme tesislerinden farklı olarak tavlanmış bobine ihtiyaç göstermeyecek, soğuk haddelenmiş (full hard) bobinler doğrudan hatta üretime alınmaktadır. Hat sürekli proses hatlarının tüm avantajlarına sahiptir. Malzemenin açılarak şerit halinde kontrollu tavlanması ve soğutulması ısı kazancı sağladığı gibi; homojen bir tavlama ve galvaniz kaplama ile kalitede (yapısal ve yüzeysel olarak) artış sağlanacaktır. Sürekli Galvanizleme Hattı (CGL) üzerinde; sac kalınlığı, genişliği, şerit merkez ve kenar konumu, şerit gerginliği, kaplama kalınlığı, şerit sıcaklığı ve hız sürekli ölçülerek otomatik olarak kontrol altında tutulacaktır. Erdemir Galvanizleme Hattının Teknik Dataları Tablo 1 de verilmiştir. Şekil 1. Erdemir CGL Hattı 482

3 Tablo 1. Erdemir Galvanizleme Hattının Teknik Verileri - Üretim Kapasitesi : ton/yıl - Max. Proses Hızı : 150 m/dak. (GI için) (Verilen Product Mix. & 6200 sa/yıl net üretim bazında) 100 m/dak. (GA için) - Malzeme : Soğuk Haddelenmiş Düşük Karbonlu çeşitli kalitelerde Çelik Sac (CQ, DQ, DDQ, EDDQ, BH & HSLA) - Sac Kalınlığı : mm. - Sac Genişliği : mm. - Bobin İç Çapı/Max. Dış Çapı : Ø 508 / Ø 2100 mm. - Giriş Bobin Ağırlığı(Min/Max) : 7.5/30 ton - Fırın Kapasitesi (Ort./Max.) - Zn-Kaplama Kalınlığı : 41.5 / 70 ton/saat gr/m 2 (Toplam; heriki yüz) - Çıkış Bob. Ağ. (Min./Ort./Max.) : 4/15 / 30 ton - Max. Temper Uzama Oranı : % 2 (CQ malzeme için) - Max Gergili Düzeltici Uz. Or. : % 1 (CQ malzeme için) - Hat Boyu : 260 m 4. SICAK DALDIRMA YÖNTEMİ İLE ÜRETİLEN KAPLAMA TÜRLERİ Sıcak daldırma yöntemi ile üretilebilen ve ticari anlamda üretimi yapılan kaplama türleri: [4] Zn Kaplama-Galvanized Iron (GI) - Çiçekli (Regular Spangle) - Çiçeksiz (Min. Spangle) Galvannealed Kaplama (GA) Galvalum Kaplama (% 55 Al + Zn) Galfan Kaplama (% 5 Al + Zn) v.b. Dünyadaki sıcak daldırma kaplama türlerinin % 95 i GA ve GI tipindedir. Erdemirde de bu kullanım dikkate alınmış kurulan hatta üretilecek kaplama tipleri GA ve GI olması kabul edilmiştir. Tablo 2 de GA ve GI kaplamaları ürün profili, müşterileri ve kullanım yerleri görülmektedir Çinko-Galvanized Iron-Kaplama (GI) Prosesi Üretimde saf çinko banyosu içerisine bir miktar Al (% ) ilavesi yapılarak üretilir. Al, çelik ile Zn tabakası arasında ince bir Al-Fe intermetalik bileşiği oluşturarak Zn tabakasının çelik yüzeyine iyi bir şekilde yapışmasını sağlar. Çinko potasının kimyasal bileşimi yakından takip edilerek kaplama kalitesinin sürekliliği sağlanır. Şayet galvaniz banyosuna çok küçük miktarlarda Sb veya Pb ilave edilirse kaplama çiçekli bir hal alır. Genellikle konstrüksiyonlarda kullanılır. Başlıca iki tiptir : Çiçekli (Regular Spangle): Bu kaplamanın çiçekli bir görünüşü vardır. Banyodaki Pb nin miktarına bağlı olarak çiçek büyüklükleri değişir. Çiçek büyüklükleri bir kaç milimetreden birkaç santimetreye kadar değişir. Çiçeksiz (zero Spangle): Çiçekler mikroskopik seviyelerdedir. Boyamaya daha uygundur. Erdemir de çiçekli yapıda galvaniz kaplama yapılmayacaktır. Seçilmiş olan hedef sektörün tüm tüketimi boyanabilen şekillenmede kaplama özelliklerini sürdürebilen kaplama türü olan çiceksiz kaplamadır Galvannealed Kaplama (GA) Prosesi Tavlama sırasında çelik üzerinde Zn-Fe ara alaşım tabakası oluşturulması ile elde edilir. Galvanizleme sonrası şerit tavlama ünitesinden geçirilir ( C). Genellikle otomotiv sanayiinde kullanılır. GA prosesinin şematik gösterimi Şekil 2 de verilmiştir. Bu tip kaplamada kaplama kalitesini etkileyen proses parametreleri ise Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 4 de ise GI ve GA kaplama türlerinin mikro yapısıları şematik olarak gösterilmiştir [5]. 483

4 Isıtma Bekleme Tablo 2. GA ve GI Kaplamalarının Ürün Profili, Müşterileri ve Kullanım Yerleri GI GA (Galvanized Iron) (Galvannealed) Ürün Profili Zn Anti-pas yağ 1-2 g/m 2 Anti pas yağ 1-2 g/m 2 Çelik Zn Zn kaplama g/m 2 /tekyüz. Çelik Zn-Fe kaplama g/m 2 / tek yüz. % Fe ağ Müşteri Otomotiv Sanayii Coil Center Konstrüksiyon Çelik Tüketicileri Elektrikli Eşyalar Otomotiv Sanayii Kullanım Yeri -- Otomobil iç ve dış panel Çatı ve duvar malzemesi Motor Kapağı vs. İç ve dış panel 1 fazının büyümesi Zn pot (+ Çok az Al) Fe Zn Al ca zengin tabaka Şekil 2. GA Prosesi Al ca zengin tabakanın kırılmasından sonra Fe nin kaplamaya difüzyonu 484

5 Çelik Kalitesi Çeliğin Kimyasal Bileşimi Çinko Banyosunun Sıcaklığı Banyoya Giren Şeridin Sıcaklığı Hat Hızı Sıyırma Koşulları Al-Fe Tabakasındaki Al Miktarı Çinko Banyosunun Sıcaklığı Banyoya Giren Şeridin Sıcaklığı Hat Hızı Banyodaki Al Miktarı Kaplama Ağırlığı ALAŞIM KALİTESİ Fırına Giren Şerit Sıcaklığı Enerji Şerit Kalınlığı ve Genişliği Galvannealing Sıcaklığı Hat Hızı Tutma Ünitesinin Boyu Galvannealing Süresi Şekil 3. GA Prosesinde Kaplama Kalitesini Etlileyen Proses Parametreleri GI Al-Fe-(Zn) Fe GA 1 Fe Faz Bileşik Sertlik : Fe %0 45 Hv 1 : Fe Zn7 : Fe% Hv : FeZn 13 : Fe % Hv :Fe5Zn21 : Fe % Hv Şekil 4. GI ve GA Kaplama Türlerinin Mikro Yapısı GI ve GA özellikleri karşılaştırılacak olunursa;[6,7] -GI kaplama gerçekte saf Zn kaplamadır. Kaplama da sıvısı bileşiminde % Al vardır. Al çeliğin korozyon performansını etkilemez ancak kaplamanın yapışmasını artırır. 485

6 -GA bir alaşım kaplamadır. Bu kaplamanın nokta kaynağı kabiliyeti yüksektir. Boyanması kolay ve kaplamanın yapışması çok iyidir. -GI kaplama oldukça yumuşaktır ve şekillendirmede kolayca uzayabilir. GA kaplama ise çok serttir. Şekillendirilirken kolayca şekillenmez. -Çok karmaşık şekilli parçaların şekillendirilmesinde GI kaplamaların düşük sürtünme katsayılarından dolayı kaplama ile çelik arasında herhangi bir bozulma olmaksızın şekillendirilebilir. Kaplama yumuşak olduğundan dolayı kalıpta toplanmaları ve sıvanmaları önlemek dikkat gerektirir. -GA da kaplama GI ya göre daha gevrektir. Buna rağmen ürün katlanabilir, uzayabilir, derin çekilebilir. Ancak şekillendirme sırasında çelik basma gerilmelerine maruz kalıyor ise galvaniz tozlaşmasının önlenmesi için dikkatli olmak gerekmektedir. -GA kaplamanın şekillenme sırasındaki tozlaşması birçok üretim parametresine bağlıdır. Ayrıca kullanıcının kesme ve şekillendirmesi sırasında kullandığı parametreler tozlaşmayı doğrudan etkiler. -GI kaplamada max. kaplama kalınlığı ürünün ömrü ve korozyon performansını doğrudan etkiler. Esasen kaplama nekadar kalın ise okadar uzun ömürlüdür. -GA kaplamalar (birçok fabrikada) üretim sonrası hemen boyama işlemine tabii tutulmaktadır. Bunun sebebi uzun stoklamada bobinin kızıllaşmasıdır. -İmalat nokta kaynagı (spot welding) içeriyorsa GA ürün tercih edilmelidir. -Boyasız kullanımlarda bir çok uygulamalarda GI ürün tercih edilmektedir. -Derin çekme işlemi uygulanacak ise GA kullanılmadan önce denemeler yaparak min. tozlaşma sağlayacak yöntem tesbit edilmelidir. GI ve GA tercihleri tamamen imalatcının üretim prosesine üründen beklediği özelliklere ve garanti edilen korozyon ömürlerine bağlıdır. Erdemir CGL hattında her iki kaplama yönteminde ticari kaliteden ekstra derin çekme kaliteye kadar üretimi hedeflemiştir. 5. GALVANİZLEME HATTINDA ÜRETİLECEK ÇELİK KALİTELERİ VE STANDARTLARI 5.1. Kimyasal Özellikler ERDEMİR KİMYASAL BİLEŞİM % KALİTE CGL KALİTESİ C Si Mn P S Sol. Al N Nb Ti GI /0.05 / /0.25 /0.020 / /0.060 /60 ppm - - CQ GA 1411 GI /0.05 / /0.25 /0.020 / /0.060 /50 ppm - - GA 1412 DQ GI /0.040 / /0.15 /0.010 / /0.060 /50 ppm - - GA 1413 GI 1314 /0.003 / /0.010 / /50 ppm DDQ GA 1414 / / /0.008 / /40 ppm GI 1315 / / /0.010 / /50 ppm EDDQ GA 1415 / /0.02 /0.08 /0.005 / /30 ppm HSLA-1 GI / /0.015 / /50 ppm HSLA-2 GI / /0.015 / /60 ppm BH-1 GI 1320 /0.003 / /0.010 / /0.060 /50 ppm

7 5.2. Mekanik Özellikler KALİTE ERDEMİR CGL Akma Mukavemeti MEKANİK ÖZELLİKLER Çekme Mukavemeti Uzama r 90 n 90 KALİTESİ Kg/mm 2 Kg/mm 2 % min min GI , CQ GA 1411 GI ,3-30,6 27,6-42, GA 1412 DQ GI ,3-26,5 27,6-38, GA 1413 GI ,3-22,4 27,6-35,7 36 1,6 0,18 DDQ GA ,4 0,18 EDDQ GI ,3-22,4 27,6-35,7 36 1,6 0,18 GA ,4 0,18 HSLA-1 GI 1335 min. 35,7 min. 42,8 16 Katlama 3t HSLA-2 GI 1332 min. 32,6 min. 39,8 17 Katlama 2t BH-1 GI 1320 max. 22 min ,3 5.3 Proses Kontrol ve Kalite Testleri Erdemir de kalite süreci bir bütündür. Üretimin her aşaması tasarlanan verilere uygunluk açısından izlenir, testler yapılır ve değerlendirilir. Üretilen mamulun talep edilen özellikleri taşıyıp taşımadığının kontrolunu en son aşamada yapılması durumunda geç kalınmıştır. Geri dönüş zor ve pahalıdır. Bu amaçla üretimin çelik üretiminden galvanizleme hattının sonuna kadar hatta müşteriye kadar kalite süreci izlenir. Galvanizleme sırasında ve sonrasında prosesin ve ürünün kontrol testleri yapılır. Genel olarak bu testler şunlardır: [8] Kaplama Ağırlığı, Kaplama yapışma testleri : Ball impact, Powdering (V- Bend test), Bending testi Yüzey pürüzlülüğü tespiti, Sertlik, Fluting, Kaplamanın kimyasal bileşimi, Kaplama tabakasının fazlarının incelenmesi (mikroyapı), Kromat kaplama ağırlığı, Giriş temizleme solüsyonu testleri, Çinko banyosu kimyasal bileşimi, Kromat solüsyonu testleri 5.4. Galvaniz Standardları ERDEMİR Sürekli Galvanizleme Tesislerinde DIN EN ve a standartlarına göre üretim hedeflenmiştir. Şekil ve ebat toleransı için DIN EN kullanılmaktadır. Ancak otomobil üreticilerinin standartları çoğunlukla bu standartların dışında olup her firmanın talepleri birbirinden farklıdır. Standartların değerlerine göre çok dar limitler ve standart dışı özel talepler içermektedir. Erdemir CGL hattı ve hat öncesi proses bu dar limitli talepleri karşılayabilecek konumdadır. Erdemir galvanizli ürünleri, kimyasal pasivasyonlu (kromatlı), pasivasyonsuz, yağlı, yağsız olarak veya kromatsız yağsız talep etmek mümkündür. 6. SONUÇ Bu çalışmada Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları Sürekli Galvanizleme Tesislerinde üretilecek ürün tipleri, çelik ve ürün özellikleri hakkında bilgi verilmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak; 1. Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları Sürekli Galvanizleme Tesislerinde konstrüksiyon çeliğinden 487

8 otomobil çeliğine, ticari kaliteden ekstra derin çekme kalitelerine kadar galvanizli ürün üretilebilmektedir. 2. Sürekli Galvanizleme Tesislerinde metalurjik açıdan istenilen özelliklere sahip ürünler üretimi için tam bir otomasyon sağlanmıştır. 3. Erdemir in mevcut hatlarında kapasite fazlası olan full hard malzemelerininin de tavlanıp kaplanmaları sağlanmıştır. 4. Galvanizli ürünlerin müşteri istek ve doğrultusunda ticari olarak üretilmiş ve kimyasal bileşim ile mekanik özelliklerinin uygun aralıkta ve dağılımda olması amaçlanmıştır. 7. KAYNAKLAR [1] İTÜ Kimya Met. Fak. Yayınları, 1980 [2] The Metallurgy of Zinc-coated Steel, A.R. Marder Lehigh Uni.Bethlehem,PA. [3] Surface Chemistry of Galvanized Steel Sheets Relevant to Adhesion Performance, Progress in Organic Coatings, Shigeyoshi Maeda Central Res. Lab. Ohgami/Japan, 28 (1996). [4] Mechanism and Prevent of Edge Over Coating in Continuous Hot-Dip Galvanizing, Yoshiaki Takeisi and Hisakazu Morino, Fundamental Tech.Res.Dep. Sumitomo Metal Ind. [5] Effect of Microstructure on Fracture Mechanisms in Galvannealed Coatings.A.T. Alpas and J Inakaki Uni. Of Windsor/Ontario Canada, 2000 ISIJ. [6] Kinetic and Formability of Hot Deep Galvanneal Coatings, C.E Jordan, K.M Goggings and A.R.Marder Lahigh Uni.,Mec.Work.and Steel Pro.Conf.Pro. Vol.XXXI [7] Emerging Tech. in the Hot-dip Coating of Automotive Sheet Steel Vijay Jagannathan 993 August [8] The Book of Steel,G.Breanger and G.Henry, Sollac Usinor Saclor Group Intercept Ltd,