ÜRETĐM METALURJĐSĐ PRENSĐPLERĐ Prof. Dr. Zeki ÇĐZMECĐOĞLU

Transkript

1 ÜRETĐM METALURJĐSĐ PRENSĐPLERĐ Prof. Dr. Zeki ÇĐZMECĐOĞLU YILDIZ TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ KĐMYA METALURJĐ FAKÜLTESĐ METALURJĐ VE MALZEME MÜHENDĐSLĐĞĐ BÖLÜMÜ.

2 YILDIZ TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ METALÜRJĐ VE MALZEME MÜHENDĐSLĐĞĐ BÖLÜMÜ ÖĞRETĐM YILI GÜZ YARIYILI DERS ĐÇERĐĞĐ HAFTALARA DAĞILIM TAKVĐMĐÖğretim Üyesi: Prof. Dr. Zeki ÇĐZMECĐOĞLU Dersin Kodu-Adı: Üretim Metalurjisi Prensipleri (Gr. 1veGr 2) Haftalar Konular 1. Hafta Giriş ve Temel Kavramlar ( ) 2. Hafta Cevher Hazırlama;Kırma, Öğütme, Eleme, Ayırma. ( ) 3. Hafta Ramazan Bayramı Tatili( ) 4. Hafta Metalurjik Önişlemler;Kurutma, Kavurma, Kalsinasyon, ( ) 5. Hafta Metalurjik Önişlemler;Topaklaştırma,Briketleme,Sinterleme, Peletleme ( ) 6. Hafta Teknik Gezi( ) 7. Hafta Nünerik Problem Çözümü ( ) 8. Hafta 1.VĐZE SINAVI ( ) 9. Hafta Pirometalurji; Đzabe( ) 10. Hafta Pirometalurji; Konverter Đşlemi, Ateşle Tasfiye( ) 11. Hafta Nünerik Problem Çözümü.( ) 12. Hafta Hidrometalurji; Çözünme ve Çözünme Reaksiyonları, Çözünmeyi Etkileyen Faktörler, Çözünme Termodinamiği, Çözünme Kinetiği Çözünme Teknikleri, Filtreleme, Çökeltme Teknikleri ( ) 13. Hafta Kurban Bayramı Tatili( ) 14. Hafta 2.VĐZE SINAVI( ) 15. Hafta Elektrometalurji; Elektrotermik (Direnç Endüksiyon ve Ark Fırınları) Elektroliz (Elektrolitik Çökeltme ve Elektrolitik Tasfiye) ( )

3 TEMEL KAVRAMLAR CEVHER:Ekonomik olarak metal üretilen mineral karışımından ibaret kayaçtır. Cevher metal üretilen mineralojik bir hammaddedir. MĐNERAL:Belirli bir kimyasal formülü ve kristal yapısı olan çoğunlukla metal bileşiği şeklindeki homojen maddelerdir. GANG: Cevher içerisinde mevcut olan ve metal üretiminde kullanılmayan kalker, silika v.b.atık minerallerdir. REZERV : Bir hammaddenin yerkabuğunda bulunma miktarıdır. TENÖR :Bir cevher içerisindeki metal yüzdesidir.

4 METALURJĐ VE MALZEME MÜHENDĐSLĐĞĐ: Doğal hammaddelerden metal, plastik, seramik, komposit v.b. her türlü malzeme üretimini gerçekleştiren ve malzemelerin içyapısını değiştirerek özelliklerini geliştiren mühendislik alanıdır.

5 METALURJĐ VE MALZEME MÜHENDĐSLĐĞĐNĐN ÇALIŞMA ALANLARI a)üretim Metalurjisi (Kimyasal Metalurji, Ekstraktif Metalurji): Cevherden metal üretimi konularını kapsayan alandır. b) Malzeme (Fiziksel Metalurji): Metallerin ve genellikle malzemelerin içyapı-özellik ilişkileri araştıran, malzemelerin iç yapısını değiştirerek özelliklerini geliştiren alandır. c) Proses Metalurjisi: Metalurji ve malzeme proseslerinin bağlı olduğu esasları araştıran alandır. Proses Metalurjisi termodinamik, kinetik, akışkanlar mekaniği ve ısı transferi gibi bilim dallarından yararlanarak proseslerin nasıl kontrol edilebileceğini araştırır. Proses Met. Met. ve Malz. Müh. Üretim Met. Malzeme

6 ÜRETĐM METALURJĐSĐ TEKNĐKLERĐ PĐROMETALURJĐ ÜRETĐM METALURJĐSĐ HĐDROMETALURJĐ ELEKTROMETALURJĐ

7 Üretim Metalurjisi Cevherden metal üretimi konularını kapsayan alandır. Üç tip üretim metalurjisi alanı vardır: Pirometalurji Isı enerjisi ile üretim Hidrometalurji Sulu ortamda üretim Elektrometalurji Elektrik enerjisi ile üretim

8 DOĞAL HAMMADDELER Tabiatta bulunan metal, enerji ve her türlü endüstriyel maddenin elde edildiği mineral esaslı inorganik ve hücresel dokuya sahip bitkisel ve hayvansal esaslı işlenmemiş doğal hammaddelerdir.

9 DOĞAL HAMMADDELERE ÖRNEKLER HAMMADDE ÖRNEK a)mineralojik Hammaddeler (Mineral esaslı hammaddelerdir) Metalik Hammaddeler Demir cevheri Enerji Hammaddeleri Kömür Endüstriyel Hammaddeleri Kireç b)hayvansal Hammaddeler Deri c)bitkisel Hammaddeler Kereste

10 ĐNSANLIK TARĐHĐNDE MALZEME KULLANIMI Đnsanlık tarihindeki devirler hep insanın kullandığı malzeme ile tanımlanmıştır. Đnsanlık ilk çağlarda Yontma Taş Devri nde tabiatta bulduğu doğal hammadde olan taşı kullanmıştır. Bu bakımdan insanlığın ilk kullandığı malzeme olan taş, seramik türden bir malzemedir. Daha sonra insanoğlu metalleri tanımış ve kullanmaya başlamıştır. M.Ö yıllarında Bakır Devri başlamıştır. Đnsanlığın ilk kullandığı metal tabiatta serbest halde de bulunduğundan altın ve bakırdır. Bakır yumuşak olduğundan kolaylıkla şekillendirilebilmiş ve korozyona dayanıklı olduğundan uzun süre kullanılabilmiştir. Bakıra sertlik kazandırmak için tunç ve bronz gibi bakır alaşımları geliştirilmiştir. M.Ö yıllarında insanlık demiri kullanmış ve Demir Devri başlamıştır. 21.yüzyıla girerken plastik ve kompozit kullanımında büyük bir gelişme ile demir kullanımının azalacağı beklentisi gerçekleşememiş olup, demir ve çelik yılda yaklaşık 1 milyar ton tüketimi ile insanlığın kullandığı malzemenin ¾ ünü oluşturmaktadır. Eğer insanlığın yaşadığı devir çoğunlukla kullandığı malzeme ile adlandırılacaksa günümüzde de Demir Devri devam etmektedir. Yakında yeni bir malzemenin demirin yerini alması ümidi görülmemektedir. Ülkelerin teknolojik gelişmişliği kullandığı malzeme miktarı ile ölçülmektedir. Đnsanlığın son yüzyılda kullandığı malzeme miktarının insanlık tarihi boyunca kullandığı malzeme miktarından fazla olduğu anlaşılmıştır.

11 MALZEMELER VE ATOMLARARASI BAĞ TĐPLERĐ Malzeme Türü Bağ Tipi 1. Metaller Metalik 2. Seramikler Đyonik 3. Plastikler Kovalent 4. Kompositler Kompleks

12 YERKABUĞUNDA ELEMENTLERĐN YÜZDE OLARAK DAĞILIMI

13 YERKABUĞUNDA MĐNERALLERĐN OLUŞUMU

14 CEVHER HAZIRLAMA (ZENGĐNLEŞTĐRME) 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.

15 CEVHER HAZIRLAMA ĐŞLEMLERĐ KIRMA : Kırıcılar yardımı ile yapılan kaba boyut küçültmedir. Kaba Kırma (ortalama 100 mm tane boyutu) ve Đnce 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.

16 EŞĐT TANE BÜYÜKLÜKLÜ VE AYNI ORANDAKĐ ANAMETAL MĐNERALĐ ĐLE GANG MĐNERALĐNĐN ĐKĐ BOYUTLU GÖRÜNÜMÜ

17 EŞĐT TANE BÜYÜKLÜKLÜ VE 1/3 ORANINDAKĐ ANAMETAL MĐNERALĐNĐN GANG MĐNERALĐ ĐLE ÜÇ BOYUTLU GÖRÜNÜMÜ

18 KIRMA ĐŞLEMĐ VE KIRICILAR Kırma Đşlemi, kaba boyut küçültmedir. Kırıcılar ile yapılır. Kırıcılar: Çeneli Kırıcı Dönel Kırıcı Konik Kırıcı Merdaneli Kırıcı

19 ÇENELĐ KIRICI

20 DÖNEL KIRICI

21 KONĐK KIRICI

22 MERDANELĐ KIRICI

23 ÖĞÜTÜCÜLER (DEĞĐRMENLER) Öğütücüler ince boyut küçültmedir. Değirmenler a) Çekiçli Değirmen b) Bilyalı Değirmen

24 ÇEKĐÇLĐ DEĞĐRMEN

25 BĐLYALI DEĞĐRMEN

26 CEVHER HAZIRLAMA AKIM ŞEMASI

27 ÇAMUR TANKI AYIRICI

28 YATAY SU AKIŞI ĐLE GELĐŞTĐRĐLMĐŞ ÇAMUR TANKI AYIRICI

29 SPĐRAL AYIRICI

30 KOYULAŞTIRICI AYIRICI

31 SĐKLON AYIRICI

32 JĐG AYIRICI

33 SARSINTILI MASA

34 KATI-SIVI-GAZ ARAYÜZEYĐNDE TEMAS AÇISI VE YÜZEY GERĐLĐM ĐLĐŞKĐSĐ

35 FLOTASYON HÜCRESĐ

36 BASINÇLI HAVALI FLOTASYON HÜCRESĐ

37 FLOTASYON HÜCRESĐ BATARYASI

38 KURU MANYETĐK AYIRICI

39 YAŞ MANYETĐK AYIRICI

40 ELEKTROSTATĐK AYIRICI

41 DÖNEL FĐLTRELĐ AYIRICI

42 TORBALI FĐLTRELĐ TOZ TUTUCU

43 METALURJĐK ÖNĐŞLEMLER Cevherin fiziksel ve kimyasal özelliklerini daha sonraki metalurjik işlemlere uygun hale getirmek için uygulanan işlemlerdir. METALURJĐK ÖNĐŞLEMLER a) Kurutma: Buharlaştırma yolu ile suyun cevherden uzaklaştırılmasıdır. b) Kavurma: Cevherin belirli bir gaz atmosferi içerisinde ergime olmaksızın yüksek sıcaklığa ısıtılmasıdır. c) Kalsinasyon (Parçalanma): Bir bileşiğin kendini meydana getiren alt bileşiklere parçalanmasıdır. d) Topaklaştırma: Cevherin iri kütleler haline getirilmesi işlemidir.(briketleme, Sinterleme, Peletleme)

44 KURUTMA NĐÇĐN GEREKLĐDĐR? EMNĐYET : Kurutulmamış cevher yüksek sıcaklıktaki bir fırında ani buharlaşma ile ortaya çıkan hacımca genleşme sebebi ile ani patlamalara yol açabilir. ISI VERĐMĐ: Suyun buharlaşması sistemden ısı alarak gerçekleşir ve sistemin ısı verimini düşürür. REAKSĐYON VERĐMĐ: Buharlaşan su, izole bir katman oluşturarak reaksiyon verimini düşürür. EKONOMĐKLĐK: Islak cevheri taşımak ve işleme tabi tutmak ekonomik değildir.

45 KURUTMANIN TANIMI: Buharlaştırma yolu ile suyun cevherden uzaklaştırılmasıdır Buharlaşma Reksiyonu: H 2 O (sıvı) = H 2 O (gaz) Termodinamik Bağıntı: Termodinamik Bağıntı: LogP = - A/T +B Semboller: P= Suyun Buhar Basıncı (mm.hg) T= Sıcaklık (K) A, B= Sabitler

46 KURUTMAYI ETKĐLEYEN FAKTÖRLER Sıcaklık Toplam Dış Basınç Suyun Buhar Basıncı Atmosferdeki Su Buharının Kısmi Basıncı Havanın Hareket Hızı

47 KAVURMA Cevherin içerisindeki bazı bileşikleri daha sonra uygulanacak üretim metalurjisi işlemlerine uygun hale getirmek amacı ile cevherin belirli bir gaz atmosferi içerisinde ergime olmaksızın yüksek sıcaklığa ısıtılmasıdır.

48 KAVURMA TĐPLERĐ Kavurma tipleri, cevherin içerisinde bulunduğu gaz ortama göre dört değişik tiptir. Oksitleyici Kavurma Sülfatlayıcı Kavurma Redükleyici Kavurma Klorürleyici Kavurma

49 OKSĐTLEYĐCĐ KAVURMA Cevherin oksitleyici hava ortamı içerisinde yüksek sıcaklığa ısıtılmasıdır. Sülfür minerali içeren bir cevher, oksitleyici ortamda ısıtıldığında metal sülfürler metal oksitlere dönüşür ve kükürt kısmen giderilir. Oksitleyici kavurma reaksiyonu: MS + 3/2 O 2 = MO + SO 2

50 SÜLFATLAYICI KAVURMA Cevher içerisindeki sülfür bileşiklerini sülfat bileşiklerine dönüştürmek amacı ile yapılan kavurma tipidir. Oksitleyici kavurmanın özel bir durumunda yani ortamda SO 2 gazının artması, sıcaklığın düşmesi ve Fe 2 O 3 ün katalitik etkisi sonucunda gerçekleşir.hidrometalurji uygulaması öncesinde kolay çözünen sülfatları elde etmek için yapılır. Sülfatlayıcı Kavurma Reaksiyonları: SO 2 + 1/2O 2 = SO 3 MO + SO 3 = MSO 4

51 REDÜKLEYĐCĐ KAVURMA Metal oksit mineralleri içeren cevherin redükleyici bir madde veya redükleyici bir gaz ortamında yüksek sıcaklığa ergime olmaksızın ısıtılmasıdır. Örnek : Demir cevheri o C kömür veya redükleyici bir gaz ( CO veya H 2 ) ile ısıtılır ve sünger demir elde edilir.

52 DEMĐR CEVHERĐNDEN SÜNGER DEMĐR ÜRETĐMĐ REDÜKLEYĐCĐ KAVURMA REKSĐYONLARI 3Fe 2 O 3 +CO(veya H 2 ) =2Fe 3 O 4 +CO 2 (veya H 2 O) Fe 3 O 4 + CO (veya H 2 ) = 3FeO + CO 2 (veya H 2 O) FeO + CO (veya H 2 ) = Fe + CO 2 (veya H 2 O)

53 KLORÜRLEYĐCĐ KAVURMA KLORÜRLEYĐCĐ KAVURMANIN TANIMI Cevherin klorürleyici bir madde (NaCl) veya Klorür gazı ortamında yüksek sıcaklığa ısıtılmasıdır. KLORÜRLEYĐCĐ KAVURMA REAKSĐYONU MS +2NaCl+ 2O 2 = MCl 2 +Na 2 SO 4

54 KAVURMA FIRINLARI Çok Katlı Kavurma Fırını Püskürtmeli Kavurma Fırını Akışkan Yataklı Kavurma Fırını Yüksek Basınçlı Kavurma Fırını ( Sinter Makinası)

55 ÇOK KATLI KAVURMA FIRINI

56 PÜSKÜRTMELĐ KAVURMA FIRINI

57 AKIŞKAN YATAKLI KAVURMA FIRINI

58 YÜKSEK BASINÇLI KAVURMA FIRINI (SĐNTER MAKĐNESĐ)

59 KALSĐNASYON( PARÇALANMA) Bir bileşiğin kendini meydana getiren alt bileşiklere parçalanmasıdır. Cevher kavurması sırasında ortaya çıkan reaksiyonlar olduğundan pratikde kavurma ile eş anlamlı olarak da kullanılır. CaCO 3 = CaO + CO 2 MSO 4 = MO + SO 3 2Al (OH) 3 = Al 2 O H 2 O

60 TOPAKLAŞTIRMA Yüksek fırında kullanılacak toz cevherin iri kütleler haline getirilmesi işlemidir. Topaklaştırma Yöntemleri: 1. Briketleme 2. Sinterleme 3. Peletleme

61 KALSĐNASYON( PARÇALANMA) Bir bileşiğin kendini meydana getiren alt bileşiklere parçalanmasıdır. Cevher kavurması sırasında ortaya çıkan reaksiyonlar olduğundan pratikde kavurma ile eş anlamlı olarak da kullanılır. CaCO 3 = CaO + CO 2 MSO 4 = MO + SO 3 2Al (OH) 3 = Al 2 O H 2 O

62 Demir-Çelik Üretim Akım Şeması(Çelikhane)

63 YÜKSEK FIRIN

64 TOPAKLAŞTIRMA Yüksek fırında kullanılacak toz cevherin iri kütleler haline getirilmesi işlemidir. Topaklaştırma Yöntemleri: 1. Briketleme 2. Sinterleme 3. Peletleme

65 BRĐKETLEME Toz cevherin hidrolik pres yardımı ile yüksek basınç altında topaklaştırılmasıdır. Yüksek basınçlı hidrolik pres Yüksek basınçlı hidrolik pres gerektirdiğinden en eski olan bu yöntem ekonomik olmadığından terkedilmiştir.

66 SĐNTERLEME Toz halindeki cevherin yüksek sıcaklık ve basınç altında kısmi ergimeler yardımı ile sinter bandında topaklaştırılmasıdır. Sinterleme sırasında kavurma reaksiyonları da olduğundan sinterleme işlemine sinterleyici kavurma da denilmektedir.

67 SĐNTER MAKĐNESĐ

68 PELETLEME Küçük taneli demir cevherinin eğik bir eksen etrafında dönen dönel bir tabla veya kesik koni yüzeyinde su ve bağlayıcı(bentonit, illit, kireç taşı, sülfatlar, cam suyu, metal tuzları, organik maddeler v.b.) yardımı ile küresel olarak şekillendirildikten sonra 1200 o o C da pişirilerek kuru mukavemet kazandırılmasına denir. Pelet büyüklüğü, tablanın eğimine, dönme hızına, su miktarına ve suyun tablaya verildiği yere bağlıdır. Peletin büyümesi basınç ve kılcal boru teorisi ile tıpkı kar topunun büyüme mekanizmasına benzer olarak açıklanmaktadır. Pelet büyüklüğü 3-40 mm. arasındadır.

69 PELETLEMEDE ĐKĐ TANECĐĞĐ BĐRLĐKTE TUTAN KUVVET

70 PELETLERDE ARANAN FĐZĐKSEL VE KĐMYASAL ÖZELLĐKLER Kimyasal Bileşim: Peletler maliyet açısından demir cevherleri ile kıyaslanabilmeleri için daha üstün özelliklere sahip olmalıdırlar. Bunun manası daha az empürite ve daha fazla demir içeriğinin olmasıdır. Hava Etkilerine Dayanıklılık: Peletler üretimlerinden tüketimlerine kadar geçen sürede hava ile temas halindedirler. Bu nedenle peletlerin rutubet kapmaları ve donmaları kullanılma özelliklerinin bozulmasına neden olur.

71 Redüklenebilirlik Peletler genellikle sinterden oldukça çabuk redüklenir. Ancak son yıllarda önem kazanan kendinden flakslı selffluxed peletler; cürufun bir bağlayıcı olarak bulunması, pişirme sırasında boyutsal küçülme ve mikroporozitenin azalmasına neden olduğundan normal asidik peletlerden daha yavaş redüklenir. Peletlerde redüklenebilirliği ölçmek için bir çok test geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın olarak kullanılanlardan biri olan Gakushin testinde yeterli kalitede peletler minimum %60 redüklenmelidirler.

72 Pelet Boyutu Günümüzde 9-16 mm aralığı tercih edilmektedir. -5 mm oranı % 5 i geçmemelidir. Bu boyut aralığının tercih ediliş nedenleri aşağıdaki gibi sıralanabilir. Peletleme tambur ve konisinde daha küçük çaplı yaş peletlerin daha kolay elde edilişi. Pişirme esnasındaki ısı yayılmasının daha düzgün olması. Nakliye sırasında kırılma şanslarının az olması. Boyut büyüklüğünün yanı sıra üniform boyut da en çok aranan özelliktir. Zira üniform boyut dağılımı, yüksek fırında daha fazla boşluk verecek bir durum meydana getirir ve bu nedenle gaz akışına minimum direnç gösteren bir şarj yığını sağlanır. Böylece basınç düşmelerine meydan vermeksizin daha yüksek hava üfleme hızlarının kullanılmasına imkan sağlanır. Pelet boyutu ısı ve kütle transferini etkileyen faktörlerdendir. Pelet içerisindeki demir cevheri partiküllerinin sinterlenmesi pelet çapından etkilenir. Geniş çaplı peletlerde peletin merkez kısmına kadar tam olarak ve yeterince sinterlenmesi zordur. Çünkü pelet çapı oksijenin porlar vasıtasıyla difüzyonunu da engeller. Daha küçük çaplı peletlerde ise kuruma ve sinterlenme ve kimyasal reaksiyonlar daha hızlı gerçekleşir.

73 Pelet Mukavemeti Gerek taşıma esnasında, gerekse daha önemli olarak yüksek fırına yükleme esnasında ve yüklendikten sonra peletler, kırılma ve ufalanmaya karşı dayanıklı olmalıdır. Peletlerin ortalama basma mukavemeti 11,05-12,66 mm lik peletler için kg arasında olmalıdır.

74 Peletlerin Porozitesi Redüklenebilirlik açısından porozite, peletlerin temel özelliklerinden birisidir. Ancak mukavemetin de göz önünde bulundurulması gerektiğinden porozite optimum değerde olmalıdır. Yüksek fırında kullanılacak peletlerde iyi bir redüklenme için istenen porozite % dur. Peletlerin porozitesi peletlerin yaş halde iken içerdikleri rutubet nem oranı ile orantılı olup ayrıca yüksek sıcaklıkta yapılan termal ısıl işlem geçmişi ile de yakından ilişkilidir. Peletler gerek su buharı gibi kurutma sırasında ortaya çıkan veya oksijen gibi sinterleme esnasında difüzyonuna ihtiyaç duyulan gazların peletin iç bölgelerine doğru yada dışarıya doğru hareketini sağlayacak miktarda optimize edilmelidir. Đstenenden düşük orandaki porozite peletin kurutma ve pişme kademelerinde pelet içinde su buharı birikmesine ve buhar basıncı artışı sonucunda peletin çatlayıp dağılmasına kadar varan olumsuzluklara neden olmaktadır.

75 Yüksek Fırın Şartlarına Dayanıklılık Demir cevheri peletlerinin mukavemeti, indirgenme esnasında cüruf fazının yumuşaması, bağlama fazının parçalanması, cüruf fazı üzerine redüksiyonun etkisi, indirgenmenin başlangıç kademesinde demir oksitlerin dağılması, wüstit ve demirin plastisitesi ve redüksiyonun son kademesinde aşırı şişmenin sebep olduğu dağılma gibi nedenlerle azalır. Peletlerin yüksek fırında mukavemetlerinin azalmasını, yumuşamasını ve şişmesini ölçmek için geliştirilen testler vardır. Bunlardan Chiba düşük sıcaklık parçalanma testine -1 mm % 3 ten az olmalıdır. Burghaldt testinde % 80 indirgendiğinde basınç düşmesi 20 mm su basıncını aşmamalı ve şişme maksimum % 20 olmalıdır.

76 Pelet Üretim Kademeleri Geleneksel pelet üretiminde, pişirme işlemi yaş pelet üretimini izler. Pişirme oksitleyici şartlar altında yapılır. Peletlerin pişirilmesinde pişirme kademeleri uygulanır. Pişirme Kademeleri 1) kurutma, 2)ön ısıtma, 3)pişirme, 4)soğutma kademelerinden meydana gelir.

77 Soğukta Sertleşen Kompozit Pelet Üretimi ve Kullanım Yerleri Son yıllarda elektrik ark fırınlarında çelik yapımında hurdanın yerini direkt redüklenmiş demir (DRI veya sünger demir) cevherlerin alabileceği görülmüştür. DRI nın tüm dünyada kullanım kapasitesi ve üretimi gittikçe artmaktadır. Toplam DRI kapasitesi 2000 li yılların sonlarında yıllık 60,599 milyon tona ulaşmıştır. Gelecekte kapasite ve üretim miktarlarının artacağı ümit edilmektedir. Soğuk bağlı pelet (CBP) direkt redükleme prosesinin hem bir başlangıç hammaddesi olarak ve hem de DRI nin verimliliğinin artırılması ve enerji tüketimini azaltmak için dünyada pek çok ülkede geliştirilmiş ve endüstriyel bazda uygulamaya konulmuştur.

78 PĐROMETALURJĐ (Isı ve ateş yardımı ile cevherden metal üretimi)

79 PĐROMETALURJĐK METAL ÜRETĐM AKIM ŞEMASI ĐZABE (ERGĐTME) KONVERTER ĐŞLEMĐ ATEŞLE TASFĐYE (ARILAŞTIRMA)

80 ĐZABE (ERGĐTME) Cevherin izabe fırınında yakıt ve yanma için gerekli hava yardımı ile ısıtılarak ergitilmesi, ilave edilen katkı malzemesinin etkisi ile cevher içerisindeki gang minerallerinin metalik fazdan ayrı bir curuf denilen atık camsı silikat fazında toplanması işlemidir.

81 ĐZABE REAKSĐYONLARI Ergime (Sıvılaşma) Reaksiyonu Yakıtın Yanması ve Diğer Oksitlenme Reaksiyonları Kalsinasyon (Parçalanma) Reaksiyonu Đndirgenme Reaksiyonu Curuf Oluşumu Reaksiyonu Çözünme Reaksiyonu

82 DEMĐR-ÇELĐK ÜRETĐM AKIM ŞEMASI

83 HADDEHANE AKIM ŞEMASI

84 YÜKSEK FIRIN

85 YÜKSEK FIRIN BÖLÜMLERĐ Fırın dört bölümde incelenebilir: Üst kısım: Fırının üstünde yer alan bu kısımda silo, çan ve çan kapağı bulunur. Ayrıca, yüksek fırın gazları borularla buradan dışarı atılır. Bu kısımda bulunan çan kapakları sayesinde dışarı gaz kaçırılmadan yüksek fırına şarj verilir. Gövde: Fırının uzun ve aşağıya doğru genişleyen kısmıdır. Bu kısımda kok -cevher karışımı aşağı doğru hareket eder. Şarj yaklaşık 8 saatlik sürede fırın içerisine yayılır. Karın: Fırının alt tarafında yeniden daralmaya başlayan kısımdır. Kısmi ergimenin sağlanması için bu kısımdaki fırın hacmi küçültülmüştür. Hazne: Fırının alt tarafındaki silindirik kısım olup, içersine sıvı demir ve cüruf toplanır. Haznenin üst bölümüne bakırdan yapılmış adet üfleme borusu yerleştirilmiştir. Su ile soğutulan bu borular tüyerler yardımıyla fırına hava üflemeye yararlar. Biraz daha aşağıda, yine su soğutmalı bakır borulardan yapılmış cüruf akıtma delikleri bulunur. Haznenin en alt kısmında ise ham demirin boşaltılması için kullanılan bir delik vardır. Bu delik her boşaltma işleminden sonra ateşe dayanıklı malzeme ile tıkanır. Cevher, metal olmayan bileşikler ve diğer katkı maddelerinden oluşan karışıma fırın şarjı denir. Şarjın karışım oranı ergime sıcaklığı düşük olan bazik karakterli bir cüruf elde etmek için ayarlanır. Katkı maddesi olarak kireç taşı (CaC03) veya sönmemiş kireç (CaO) kullanılır. 600 ile C arasındaki bir sıcaklığa kadar ısıtılan hava 1,5 atmosferden daha yüksek bir basınçla fırına üflenir. Üflenen havanın miktarı kullanılan kok miktarına bağlıdır. Üflenen hava miktarı en fazla m3 /dk dır. Yüksek fırına demir oksit halinde giren cevher, yüksek ısı kar-şısında oksijen ve demire ayrışır, oksijende karbonla birleşip CO ve CO2 gazı halinde yukarı yükselir. Demir de ergimiş olarak altta toplanır.

86 YÜKSEK FIRIN ĐÇĐNDEKĐ REAKSĐYON SAHALARI

87 Ergime Sahası Fırın alt hava püskürtme deliklerinden giren sıcak havanın yardımı ile yanan karbonun ısısı aşağı ininceye kadar redüksiyon ile (Fe) demir ve demir karbürü (Fe3C) haline geçen madeni ve cevherden ayrışarak katık malzeme ile birleşen kalsiyum silikatı (2CaO.Si02) ergiterek sıvı hale getirir. Sıvılaşmanın olduğu bu kısma, ergime sahası adı verilir. Fırının en sıcak bölgesi olan karın kısmına ergitme bölgesi adı verilir. Fırındaki kok kömürü, hava püskürtme tüyerlerinden giren sıcak ha-vanın oksijeni ile birleşerek bütün karbonu yakarak karbondioksit oluştu-rur. Biraz yükselen CO2 gazı tekrar kızgın koka rastlayacağından onun karbonunu alıp karbonmonoksit (CO) haline geçer. Alttan yukarı yükselmeye çalışan bu (CO) karbonmonoksit gazı demir cevheri içindeki demir oksidin redüksiyonunu sağlar. Bu kısmın sıcaklığı ortalama 1700 C' dır.

88 Karbon Alma Sahası Redüksiyon sahasında cevherin ayrışması ile oluşan demirin bir kısmı bu safhada aşağıdan yukarı yükselen CO gazı ile birleşerek demir karbür (Fe3C) haline geçer ve birleşme denkleminde de görüldüğü gibi CO gazı ayrışır. Demirin karbon ile birleşmesinden dolayı bu sahaya da karbon alma sahası adı verilir. Karbon alma sahasının ortalama sıcaklık derecesi 1200 C'dir. 2CO+3Fe=Fe3C+CO2

89 Redüksiyon Sahası Yukarıdan aşağı ısınarak redüksiyon sahasına giren cevher, kömür ve katık malzeme, aşağıdan yükselen CO veco2 gazlarının etkisi ile reaksiyona geçer. Sıcaklık derecesi C olan bu bölgedeki reaksiyonu şu denklemler ile ifade etmek mümkündür: CO2 + C = 2CO CO + 3 Fe203 = 2Fe304 + CO 2 CO + Fe3O4 = 3FeO + CO2 CO + FeO = Fe + CO2 Redüksiyon sahasında cevherden CO vasıtası ile ayrışan demir, katı haldedir. Yukarıda bahsedildiği gibi, karbon alma sahasından geçip ergime sahasına girdikten sonra oradaki yüksek sıcaklık derecesi ile sıvı hale gelir.yukarıdaki denklemde ayrışan CO2 gazları, üst tabakadaki kömürle-rin arasından geçerken tekrar C alarak, karbonmonoksit gazı haline geçer. CO2 + C = 2 CO Ocağa verilen kireçtaşı da bu sahanın ısısı ile yanmış kireç (CaO) ve CO2 karbondioksit gazına ayrışır. Bununla birlikte cevherle beraber bulunan silis (SiO2 ), bu sahada ayrışan demirle beraber o da serbest kalıp CaO ile birleşerek aşağı iner.

90 Isınma Sahası Sıcaklık derecesi o C arasında olan bu sahada, aşağıdan sıcak halde yükselen CO, C02 ve havanın azot gazı ile ocağa doldurulan cevher, kömür ve katık malzeme ile birlikte ısınma devresi geçirir.

91 YÜKSEK FIRINDA DEMĐR CEVHERĐNĐN ĐZABE REAKSĐYONLARI

92 YÜKSEK FIRINLARA ŞARJ EDĐLECEK MADDELERDE ARANAN ÖZELLĐKLER VE VERĐME OLAN ETKĐLERĐ Cevher alımları genelde parça cevher (1 cm2-15 cm2 elek arası) toz cevherler (1 cm2 elek altı) ve kırılmış cevher olarak (0-15 cm) üç cins olmaktadır. Yurt içinden satın alınacak cevherlerde mineralojik özellikler aranmamakla birlikte yurt dışındaki alımlarda mineralojik yapı dikkate alınmaktadır. Ayrıca yurt içi cevher yataklarındaki cevherlerin kalitesi ocak bazında dikkate alınarak her yatak için ayrı ayrı alım şartları belirlenmekte olup, yurt içi üretimleri teşvik edilmektedir.

93 CEVHERĐN FĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERĐ TANE BÜYÜKLÜĞÜ Yüksek fırın izabeciliğinde yüksek fırına şarj edilecek malzemelerin boyutları kok kullanım oranının düşürülmesinde ve verimin arttırılmasında önemli rol oynamaktadır. Şarj malzemesinin boyutlarının farklılığı ne kadar az olursa, bir başka değişle şarj malzemesi belirli boyutlarda ve homojen bir yapıda üretilirse fırın ısısının artmasında ve şarj malzemesinin içerisinde alttan yukarıya doğru yükselecek gaz geçirgenliğini hızlandırma-sında en yüksek verimi sağlar. Şarj malzemesinin içerisindeki ince boyutlu taneciklerin artması yük-sek fırın gaz geçirgenliğini düşürmekte, fırın baca gazlarına toz kayıplarını artırmakta ve üretimi olumsuz yönde etkilemektedir. Belirli limitler içerisinde kalmak kaydı ile parça demir cevherinin orta-lama boyutu küçüldükçe, özgül yüzey alanı, dolayısı ile Katı/Gaz temas yü-zeyi artmakta ve indirgenmesi kolaylaşmaktadır. Bu bakımdan heri iki etke-nin optimal parça demir cevherleri için mm üst sınır, 5-10 mm de alt sınır olarak kabul edilmektedir (Habashi 1997). Dünyada bir çok ülkede yapılan deneyler sonucunda yüksek fırına şarj edilecek demir cevheri ebatları aşağıdaki Tablo 3.1 de. olduğu gibi saptan-mıştır. Yüksek Fırına Yüklenen Şarj Boyutları(Cm) PELET(0,476-1,9 cm) SĐNTER(0,476-3,17 cm) PARÇA CEVHER(0,95-3,17 cm)

94 CEVHERLERĐN KĐMYASAL ÖZELLĐKLERĐ VE SAFSIZLIKLARIN OLUMSUZ ETKĐLERĐ 1. SĐLĐSYUM DĐOKSĐT Yüksek fırında oluşan curuf, curuf yapıcı malzemenin belirli oranlarda karıştırılmasıyla demir cevherlerinden ayrılır. Cevher içindeki SiO2 nin fazlalığı ergitme sırasında fazla miktarda curufun oluşmasına yol açmaktadır. Silisi nötralize etmek için katılan kireçtaşı ilavesiyle cüruf hacmi artacaktır. Fazla cüruf, yakıt sarfiyatını arttırır. Ereğli Fabrikasının şartlarına göre demir cevheri içerisinde Si02 yüzdesinin % arasında değişmesi halinde her % 1 silis için 52 Kg. CaCO3 ve 28 Kg. kok artışına sebep olan ilave şarj malzemesine neden olmaktadır.

95 2. ALÜMĐNYUM OKSĐT (Al 2 O 3 ) Fazla alümina içeren cevherler, ıslanması halinde yapışma özelliğine sahip olması nedeniyle yüklenmelerde, taşımalarda, boşaltma işlemlerinde kırma eleme işlemlerinde bir takım işletme güçlüklerine neden olmaktadır.cevher içerisinde serbest halde olduğu için, yıkama işlemi ile çabucak giderilebilir özelliktedir. Yüksek fırın işletmeciliği esnasında alümina curufa geçer ve alüminanın anfoterik özelliğine bağlı olarak curufun asit veya bazik özellikte olmasına etki eder. Kok kullanan fırınlarda curuf içindeki alümina miktarı % 8-% 15 civarında olmalıdır.bu takdirde alümina bazik curufun akışkanlığını artıracağı için şarj içindeki kükürtün ayrılmasını sağlar. Genel olarak yüksek fırın işletmeciğinde curuf, önemli bir yer işgal ettiği ve verime etkisi olduğu için curuf bileşimi üçlü faz diyagramında en düşük ergime sıcaklığını veren bileşimler halinde seçilmelidir.

96 3. KÜKÜRT Yüksek fırın işletmeciliği esnasında pik demirine geçecek (S) miktarının çok küçük miktarları bile çelik için çok zararlıdır. Kükürtlü cevherler, genelde cevher zenginleştirme yöntemleriyle kükürt giderildikten sonra yüksek fırına şarj edilmektedir.(örneğin Divriği A Kafa Piritli manyetit cevherler konsantrasyon tesislerinden geçirilerek piritler cevherden ayrılmakta ve geriye kalan kükürtsüz cevher peltelenerek fabrikalara gönderilmektedir.cevher zenginleştirme işlemi yapılmayan cevherler yüksek fırına direkt olarak şarj edilmezler. Sinterleme işlemi yapılarak (S) yakıldıktan sonra yüksek fırın harmanına verilirler. Đnce taneli cevherlerin (toz cevherler) sinterlenmesi çok etkili bir kükürtten temizleme tekniğidir. Pirit, protin gibi fazla kükürtlü cevherlerin kükürt yüzdesi, bu teknikle % 1,01 in altına düşürülebilir. cevher içindeki (S) giderimi yapılmış olsa bile yüksek fırın içine şarj edilen malzemeden yine de bir miktar (S) girmektedir. Yüksek fırına giren (S) ün şarj içine konan kalker, mangan cevherleri ile giderilmesine çalışılır. Bazik yüksek fırın curufundaki (S) miktarı, en fazla % 3 civarındadır.

97 4. ÇĐNKO(Zn) Eğer demir cevherindeki çinko miktarı % 0,2 nin altında ise yüksek fırınlarda kolayca kullanılabilir.yüksek fırın içinde gaz halinde uçuşan çinko parçacıkları fırının üst cidarlarında aşağıdaki reaksiyona göre kalın çinko oksit tabakaları oluştururlar. Zn+CO2 ZnO+CO ZnO fırının üst cidarlarında tabakalaşma yapacağı gibi çinko buhar tozunda tuğlaların içine girebilir, fırındaki ateş tuğlası içindeki alümina ile (ZnO. Al203) halinde birleşerek tuğlaların şişmesine ve tuğlaların ayrışımına sebep olur.

98 5. ALKALĐLER Alkaliler (Na2O,K2O) fırın içerisinde indirgenmezler ve demir üzerinde hiçbir etkileri olmaz ancak yüksek fırın işletmeciliğini önemli bir şekilde etkiler ve işletme problemlerinin olmasına neden olurlar. Yüksek fırınlara şarj edilecek malzeme içindeki alkalilerin bulunması hallerinde; Yüksek fırın tuğlalarına yapışarak duvar yapmakta, tuğlaları tahrip etmekte askılanmakta çekmelere neden olmakta, Yüksek fırının O C sıcaklıktaki bölgelerinde alkali birikimi ol-makta ve bu bölgelerde kabuk bağlayarak yüksek fırın hacmini küçültmekte ve dolayısıyla yüksek fırın veriminin düşmesine neden olmakta, Düşük sıcaklıkta asidik yapıdaki peletleri parçalamakta, Tuğlaların aralarına girerek yumuşama sıcaklıklarını düşürmekte ve tuğlaların tahrip olmasına neden olmakta, Yüksek tepe sıcaklıklarının, düşmesine hazne soğumasına ve tüyerlerin çabuk yanmasına neden olmaktadırlar. Alkalilerin fırının çalışmasına ve refrakter ömrüne yaptığı olumsuz etkinin yanısıra kok kulanım oranı ve üretime de olumsuz etkilerinin olduğu daha önce yapılan çalışmalarda ortaya çıkmıştır.

99 6. KĐREÇTAŞI (CaCO3) Kireç, bazik curufun ana bileşenidir.cevher içerisinde % civarında bulunması halinde izabe esnasında ilave katkı (Kireçtaşı) vermeksizin kendi kendine ergime özelliğini verir. Cevher bünyesindeki kireç ergime esnasında curuf yaptığı için istenilen bir unsurdur.

100 7.MAGNEZYUM OKSĐT (MgO) Normalin üstünde alüminadan dolayı curuftaki artan viskozite, MgO ilavesi ile giderilebilir. Bu durum Al2O3 / SiO2 >1 olduğu durumlarda geçerlidir.

101 Demir Cevherlerinde Bulunabilecek Empüritelerin Üst Sınırları Element % Cu 0,01 Ni 0,03 Pb 0,05 Sn 0,01 Zn 0,02 V 0,006 As 0,01 S 0,05 Cr 0,03 TiO 2 0,10 Na 2 O+K 2 O 0,30

102

103 BOUDOUARD REAKSĐYONU

104 DEMĐR OKSĐTLERĐN REDÜKLENMESĐ

105

106

107 BAZI ELEMENTLERĐN KÜKÜRT VE OKSĐJENE ĐZAFĐ AFĐNĐTESĐ

108 Cu-S-O ve Fe-S-O SĐSTEMĐ KESĐT DĐYAGRAMI

109 METAL SÜLFÜRLERĐN OKSĐTLENME REAKSĐYONLARI

110 REVERBER FIRINI

111 ELEKTRĐK ARK OCAĞI

112 PÜSKÜRTMELĐ ERGĐTME FIRINI

113 METALURJĐK REAKTÖRLER

114 CURUF Đzabe sırasında curuf yapıcı katkı malzemesi etkisi ile metalik fazın üzerinde gang minerallerinden oluşan ve oksit karışımından meydana gelen atık camsı silikat fazına denir. Đzabecilikte curuf fazını başarılı olarak oluşturmak üretilen metalik fazın kalitesini arttırır. Đyi bir curufun özellikleri nelerdir? düşük yoğunluk, düşük ergime noktası, düşük vizkozite, düşük metal çözünürlüğü, düşük refrakter tahribatı.

115 CURUFUN YAPISI

116 METAL OKSĐTLERĐN YAPISI

117 SĐLĐKANIN YAPISI