ÜRETİM METALÜRJİSİ ANA BİLİM DALI

Transkript

1 Yoğunluk, Ultrason Deneyin görevlisinden temin edilecektir

2 1. DENEY DENEYİN ADI: CEVHER HAZIRLAMA DENEYİN AMACI: Cevher hazırlamada kırma, öğütme, eleme ve ayırma kademelerinin incelenmesi, proses parametrelerinin saptanması. 1.CEVHER HAZIRLAMADA GENEL TERİMLER 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. 2.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. 1

3 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.) 2.1 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. 2

4 2.1.1 KIRMA 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. 3

5 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. 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 4

6 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 DENEYİN YAPILIŞI Parçacık boyut dağılımı incelenecek karışımı tartınız ve ağırlığını kaydediniz. Huni yardımıyla tarttığınız karışımı çeneli kırıcıya koyunuz. Çeneli kırıcıyı çalıştırarak kırma işlemini gerçekleştiriniz. Kırılan parçacıkları kırıcıdan çıkardıktan sonra ikiye ayırarak tekrar tartınız ve ağırlıklarını kaydediniz. Toplam kırılmış malzeme miktarını kaydediniz. Elekleri mesh numaralarına göre büyükten küçüğe doğru üst üste sıralayınız. Hazırladığınız elek setini, elek sallama makinasına yerleştiriniz. Elek setinin en üstündeki eleğe kırılmış olan parçacıkların ilk kısmını koyunuz. Elek setinin vidalarını sıkıştırınız ve üstteki eleğin kapağını kapatınız. Elek sallama makinasını on dakika süreyle çalıştırarak, eleme işlemini gerçekleştiriniz. Elek setini makinadan alarak, her elekte kalan malzeme miktarını Çizelge 1.1'e kaydediniz. Toplam elenmiş madde miktarını Çizelge 1.1'e kaydediniz. Elekleri temizleyiniz. Deney düzeneğini temizleyiniz. 5

7 HESAPLAMALAR Elek analizinin sonuçları, aşağıdaki çizelgeye kaydedilir. Çizelge 1.1 Elek analizi verileri ve hesaplamaları Elek Çapı (mm) Tane sınıf ağırlığı gr % gr Kümilatif eleküstü % gr Kümilatif elekaltı % gr ,2-11, ,6-5,6 3,35-3,35 2,36-2, Toplam Yapılan elek analizine göre Kümilatif eleküstü ve Kümilatif elekaltı doğrularını çiziniz. Çizilen iki doğruların kesişim noktasından ortalama tane boyutunu tespit ediniz. Teorik ortalama tane boyutunu aşağıdaki formül ile bulup, doğruların kesişim noktasından bulunan ve teorik olarak hesaplanan ortalama tane boyutlarını kıyaslayınız. Teorik ortalama tane boyutu; X=Elek açıklığı veya çapı (tane boyutu ile aynıdır) M=% tane sınıf ağırlığı 6

8 2. DENEY DENEYİN ADI: FLOTASYON DENEYİN AMACI: Flotsayon yöntemi ile PbS cevherinden gang minerallerinin uzaklaştırılması. 1.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. 7

9 Şekil 1. 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, γc 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 (γc<72 din/cm), Kritik Islanma Yüzey Enerjilerinden (γc) daha düşük yüzey enerjili sıvılar tarafından ıslatılırlar. Flotasyon sisteminde iki katının selektif olarak ayrılması 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 8

10 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 şlamda metal kaybının fazla olması ve öğütme giderlerinin artması Çevre kirliliğine neden olması 1.1. 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 kollektör adsorpsiyonunu azaltırlar. ii) Aktifleştirici (Canlandırıcı) Reaktifler: Mineral veya minerallerin yüzeylerine kollektör 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. 9

11 1.2. 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. Şekil 2. Danver flotasyon makinesi 2. KULLANILAN CİHAZLAR VE MATERYALLER Denver Flotasyon Makinesi Pipet, Piset, Emaye Kaplar Terazi Reaktifler (Toplayıcı, Köpürtücü) Deney Numunesi (İnce Galen Cevheri) 10

12 3. DENEYİN YAPILIŞI -200 μm tane boyutundaki 200 gr galen cevheri tartılıp, flotasyon selülünün hacmine bağlı olarak %20 katı oranı olacak şekilde ayarlanır. Selül, flotasyon makinesine yerleştirilerek makine çalıştırılır ve pülp karıştırılır. Pülpe 5 dakika boyunca karıştırma işlemi yapılarak kondisyon verilir. Galen cevheri için kullanılan uygun kollektör, pülpe 1-2 damla katılarak karıştırma işlemine 5 dakika daha devam edilir. Yüzeyleri hidrofob hale gelmiş minerallerin yüzdürülmesi için ortama köpük oluşumunu sağlayan köpük yapıcı, 1 damla eklenir. Köpük yapıcı eklendikten sonra 1-2 dakika daha kondisyon verilir. Son kondisyon süresi sona erdikten sonra flotasyon cihazının hava giriş musluğu açılarak pülpe hava verilir. Yüzeyi hidrofob hale gelmiş olan mineral veya mineraller hava kabarcığına yapışarak köpük halinde yüzeyde toplanırlar. Köpükler yüzeyden sıyrılarak ayrı bir kapta konsantre olarak toplanır ve yüzdürülecek mineralin yeteri kadarı yüzdürüldükten sonra işlem sonlandırılır. Bu alınan köpük konsantresi gerektiğinde birkaç defa tekrar tekrar yüzdürülerek temizleme yapılır. Bu sayede temiz konsantre ve ara ürünler elde edilir. Selülde kalan malzeme artığı oluşturur. 4. SONUÇLARIN ALINMASI Elde edilen konsantre süzülüp kurutulduktan sonra ayrımın ne kadar gerçekleştiği gözlemlenir. 5. HESAPLAMA Toplayıcı reaktif çözelti halinde gr/ton, köpürtücüler ise gr/ton mertebesinde kullanılır. Deneylerde kullanılacak hammadde miktarına göre reaktiflerin kullanım miktarları hesaplanarak not alınır. 11

13 6. SONUÇ Başlangıç ve sonuç numune karşılaştırılarak ayrım gözlemlenir. 7. RAPORDAN İSTENENLER 1-Cevher hazırlamanın nedenleri ve cevher hazırlamadaki işlemler (kırma, öğütme, eleme, ayırma) hakkında kısaca bilgi verilecektir. 2-Flotasyon ve flotasyonda kullanılan reaktifler kısaca açıklanıp flotasyon deney prosedürü anlatılacak ve yorumlanacaktır. 3-Elek analizi hesabı tabloya yapılıp tablodaki verilere dayanarak kümilatif eleküstü ve kümilatif elekaltı doğruları Logaritmik Kağıda çizilip, bu doğrular yardımıyla ortalama tane boyutu bulunacaktır. Doğrular yardımıyla elde edilen ortalama tane boyutu ile teorik olarak hesaplanan tane boyutu kıyaslanacaktır. 8. KAYNAKLAR [1] YİĞİT E. Cevher Hazırlama ve Zenginleştirme [2] KAYTAZ Y., Cevher Hazırlama, İTÜ Maden Fakültesi, 1990 [3] ERGUNALP F. Cevher hazırlama prensipleri, İstanbul Teknik Üniversitesi Yayınları, 1959 [4] [5] Zeki ÇİZMECİOĞLU, Üretim Metalürjisi Prensipleri Ders Notları, YTÜ, 2008 [6] [7] [8] [9] Metalürji Üretim Proses Laboratuvarı Dersi Deney Föyleri 12

14 METALÜRJİK ÖN İŞLEMLER (PELETLEME) PELET ÜRETİMİ 1- AMAÇ Bu deneyde, endüstriyel kullanım açısından uygun fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip, konsantre demir cevheri peleti üretimi ve bunların mukavemetlerinin incelenmesi amaçlanmaktadır. 2- TEORİK BİLGİ 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.

15 METALÜRJİK ÖN İŞLEMLER (PELETLEME) 2.1 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) 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.

16 METALÜRJİK ÖN İŞLEMLER (PELETLEME) Şekil 2.1. 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 Şekil 2.2. 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.

17 METALÜRJİK ÖN İŞLEMLER (PELETLEME) Yaş peletlerin gerilme mukavemeti Rumpf tarafından aşağıdaki eşitlik ile verilmektedir; T 1 8 d 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. Bu eşitlikte de tane çapının küçülmesi ve tanelerarası boşlukların sıvı ile tam dolu olması sonucu yüzey geriliminin artmasıyla gerilme mukavemetinin arttığı görülmektedir Şekil 2.3. 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.

18 METALÜRJİK ÖN İŞLEMLER (PELETLEME) 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. 3- KULLANILAN CİHAZLAR ve MATERYALLER Manyetit konsantre cevheri Laboratuar tipi disk şeklindeki pelet cihazı ve yan ekipmanları Terazi Bentonit Su

19 METALÜRJİK ÖN İŞLEMLER (PELETLEME) 4- DENEYİN YAPILIŞI 1 kg manyetit konsantresi ve % 0,7 bentonit (7 g) karıştırlır ve disk şeklindeki tablaya boşaltılır. Eğim miktarı yuvarlama olayında bir faktör olduğundan tablanın eğimi 45 olacak, şekilde ayarlanır. Tabla yüzeyi hafifçe ıslatılıp tüm yüzeyin cevher ile teması sağlandıktan sonra Cihaz çalıştırılır ve hazırlanan karışımın tablaya döküldüğü yerden su ilavesi yapılmaya başlanır. İlave edilen su belli bir noktadan ve sabit debiyle gerçekleştirilir ve toplamda eklenen su miktarı % 10 (100 g) değerine ulaşılıncaya kadar bu işleme devam edilir. Şekil 5.1 Deneylerde kullanılan pelet cihazı Sistem istenilen pelet boyutlarına ulaşılıncaya kadar çalıştırılır. Gerekli pelet sayısına ulaşılınca cihaz kapatılır ve elde edilen yaş peletler dikkatli bir şekilde alınarak 50 cm. yükseklikten serbest düşme ile çelik bir plaka üzerine bırakılır. Her bir pelet için kaçıncı düşmede kırıldıkları not edilir ve elde edilen toplam; serbest düşmeye bırakılan pelet sayısına bölünürek hesaplanan ortalama; kaçıncı düşmede kırıldığı cinsinden yaş mukavemet olarak kaydedilir.

20 METALÜRJİK ÖN İŞLEMLER (PELETLEME) DENEY RAPORUNDA İSTENİLEN BİLGİLER 1. Klasik pelet üretimini açıklayınız; pelet oluşum mekanizmasına etki eden faktörleri yorumlayınız. 2. Demir cevheri peletlerinin ham demir üretimindeki avantajlarını açıklayınız. 3. Kompozit pelet üretimini, üretiminde kullanılan hammaddelerin ürün özelliklerine etkilerini ve demir tanesi üretimindeki avantajlarını araştırarak yazınız. 4. Deney süresince pelet oluşumuna ilişkin gözlemlerinizi ve yaş peletlerin 50 cm.' den çelik palaka üzerine serbest düşmesinde elde ettiğiniz yaş mukavemeti deney koşullarınızla birlikte yorumlayınız. 5- KAYNAKLAR 1. AKDAĞ, M., ''Üretim Metalürjisi- Temel Prensipler ve Uygulama Örnekleri", Dokuz Eylül Univ., Mühendislik Fak. yayınları No. 176, 2.Baskı, İzmir 1992, s BOR. F.Y., "Ekstraktif Metalürji Prensipleri", Kısım I, İ.T.Ü. Kimya-Metalurji Fak.. İstanbul 1985, s GILCHRIST, J.D., "Extraction Metallurgy", Second Edition, Pergamon Press, Great Britain, 1980, pp ROSENQVIST, T., "Principles of Extractive Metallurgy", McGraw-Hill Book Company, pp SARIDEDE N. M., Metalurjik Ön İşlemler ders notları, YTÜ.

21 ÜRETİM METALURJİSİ ANABİLİM DALI Metalurji Proses Laboratuarı Deney Föyü MALZEME ÜRETİMİ 2 1- AMAÇ Pirometalurjik yöntemle metalik ürünlerin üretiminin gerçekleştirilmesi; termodinamik şartların, katıgaz reaksiyonları kinetiğinin, curuf oluşumunun, çözünme ve rafinasyon işlemlerinin belirtilerek pirometalurjik işlemlerin temel prensiplerinin incelenmesidir. 2- TEORİK BİLGİ Metalurji de; pirometalurji, hidrometalurji ve elektrometalurji olmak üzere üç temel işlemde metallerin üretimi gerçekleşmektedir. Pirometalurji ergitme ve redüksiyon yoluyla metal veya metal alaşımlarının üretildiği, temel bazı işlemlerden oluşan bir yöntemdir: Ergime (Sıvılaşma) Reaksiyonu, Yakıtın Yanması ve Diğer Oksitlenme Reaksiyonları, Kalsinasyon (Parçalanma) Reaksiyonu, İndirgenme Reaksiyonu, Curuf Oluşumu Reaksiyonu, Çözünme Reaksiyonu. Ülkemizde üretilen 32 milyon tonluk ham çeliğin % 20,6 sına karşılık gelen 6,6 milyon tonluk kısmı yüksek fırına dayalı üretim yapan entegre tesislerde, % 79,4 üne karşılık gelen 25,4 milyon tonluk kısmı ise 21 adet elektrik ark ocaklı tesislerde gerçekleştirilmektedir. Gerçekleştirilen üretimin büyük kısmının hurdayı hammadde olarak kullanan elektrik ark ocaklı tesisler tarafından gerçekleştirilmesi ve ülkemizde açığa çıkan hurda miktarının söz konusu kullanımdan çok daha düşük olması hurda konusunda ülkemizi dışa bağımlı hale getirmektedir. Türkiye 2010 yılında dünyada en fazla hurda ithal eden ülke olmuş ve yaklaşık 9 milyar dolarlık hurda ithalatı gerçekleştirmiştir. Hurdadaki bu dışa bağımlılığı gidermek üzere cevherden üretim yapan alternatif demir-çelik teknolojilerinin incelenmesi gerekmektedir. Alternatif demir-çelik teknolojilerinin ortaya çıkmasındaki diğer bazı etkenler ise şu şekildedir; Hammadde Maliyetinin Düşürülmesi, Verimlilik Artışı ile Ürün Maliyetinin Azaltılması, Ürün Kalitesinin Artırılması, Yeni Ürün Geliştirme, Enerji Tasarrufu, Geri Kazanımın Artırılması, Çevre Problemlerinin Çözümü. 1

22 ÜRETİM METALURJİSİ ANABİLİM DALI Metalurji Proses Laboratuarı Deney Föyü MALZEME ÜRETİMİ 2 Alternatif demir-çelik üretiminin temelini, yüksek fırının üst tarafında gerçekleşen zayıf ısı veren reaksiyonlardan oluşan katı ön indirgeme ile demir cevherinden sünger demir üretimi oluşturmaktadır. Sünger demir; toz, parça ya da pelet halindeki demir cevherinin gaz ya da katı redükleyici kullanılarak ergime sıcaklığının altında (950 o C-1100 o C da) redüklenmesi sonucu elde edilen ürünün adıdır. Elde edilen bu ürün, yüksek oranda metalik demir içermesinin yanında, indirgenmemiş demir oksitler ile bir miktar karbon ve cevherden gelen gang bileşenlerini taşımaktadır. Sünger demirde genellikle toplam demir içeriği % 85 in üzerindedir. Metalizasyon derecesi % arasında değişir. Karbon içeriği % 1-2,5 arasındadır. Gang içeriği % 2-4 arasında değişir. Kükürt oranı kükürtsüz gazla çalışan proseslerde % 0,005 ten küçük, kükürt içeren kömür ve kireçtaşı kullanan proseslerde yaklaşık % 0,02 dir. Görünür yoğunluğu 4 g/cm 3 kadardır. HBI (Hot Briquetted Iron-Sıcak Briketlenmiş Demir), pelet ve parça sünger demirin yüksek basınç altında 650 o C den yüksek sıcaklıkta sıkıştırılmasıyla üretilir. HBI, pelet formundaki DRI dan (Direct Reduced Iron- Direkt Redüklenmiş Demir) %75 daha az su çeker. Sünger demirde 5 mm boyutundaki ince oranı % 5 ten az olmalıdır. Sünger demir üretimi; kullanılan temel fırın prosesine göre ve kullanılan redükleyici elemana göre sınıflandırılır. Şekil 1. Sünger demir üretim yöntemlerinin sınıflandırılması 2

23 ÜRETİM METALURJİSİ ANABİLİM DALI Metalurji Proses Laboratuarı Deney Föyü MALZEME ÜRETİMİ 2 Sünger demirin yanı sıra 1250 o C o C sıcaklıkları arsında içinde redükleyici bulunan kompozit peletlerin döner hazneli fırınlarda redüklenmesiyle elde edilen DRI, yani demir tanesi, bünyesinde tamamen metalik demir içeren hurdaya çok iyi bir alternatiftir. Şekil 2. Demir tanesi üretim yöntemlerinde çalışma bölgeleri Demir oksitlerin karbon ile redüksiyonu, ancak gaz fazının kısmi oksijen buhar basıncının [ demir oksitlerin kısmi oksijen buhar basıncından [ mümkündür. P > P O (Fe O ) 2 x y O (Fe O ) = P < 2 x y O (Fe O ) 2 x y P O2 (CO) P O2 (CO) P O 2 ( CO ) Redüklenme Denge Oksitlenme P O (Fe O ) Basıncın bir fonksiyonu olan CO 2 /CO karışımı ile demir oksitlerin redüksiyonu; Fe x O y + CO = Fe x O y-1 + CO 2 eşitliği ile verilir. Bu eşitliğin denge sabiti aşağıdaki gibi bulunur: a PCO K. Fe x O y-1 2 a P Fe O. x y CO (Katı maddelerin aktiviteleri =1 alınır.) P P CO2 K CO 2 x y P O2 (CO) ] daha küçük olması durumunda Redükleme reaksiyonlarının çeşitli sıcaklıklardaki denge sabitleri hesaplanabilir. Bu denge sabitelerinin P CO 2 /P CO oranı bu denge sabitelerinden küçük ise Fe x O y redüklenir. ] 3

24 ÜRETİM METALURJİSİ ANABİLİM DALI Metalurji Proses Laboratuarı Deney Föyü MALZEME ÜRETİMİ 2 Hematit bileşimli demir cevherinin metalik demire redüklenmesi üç aşamada gerçekleşir: 3 Fe 2 O 3 + CO = 2 Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO = 3 FeO + CO 2 FeO + CO = Fe + CO 2 Karbonun redükleyici gaz oluşturma reaksiyonları ise aşağıdaki gibidir: 2C + O 2 = 2CO CO 2 + C = 2CO Demir oksitlerin redüksiyonu heterojen reaksiyonlardır, yani reaksiyonlar katı ve gaz maddeler arasında gerçekleşir ve proses koşullarına bağlı olarak birçok kısmi reaksiyonlar ve taşınım olayları içerir. Şekil 3. Pelet Redüksiyonunun Aşamaları Redüksiyonda, porlardaki difüzyon ve kütle transferi etkin olan başlıca olaylar olup, demir oksitlerin redüksiyonu Fe 2 O 3 / Fe 3 O 4 / FeO / Fe sırasıyla oluşan topokimyasal reaksiyonlardan ibarettir. Böyle bir reaksiyonda oluşan ürünlerin ara yüzeyleri maddenin orijinal dış yüzeyine paralel olarak merkeze doğru ilerler. 3- KULLANILAN CİHAZLAR VE MATERYALLER Demir oksit esaslı peletler, Hassas terazi, Tüp fırın, Pens ve maşa, Grafit Kayıkçık, 4- DENEYİN YAPILIŞI Daha önceden hazırlanmış olan klasik peletler tartılarak ağırlığı tespit edilir. Toplam redüksiyon reaksiyonu kullanılarak bu peletlerin redüksiyonu için gerekli olan karbon miktarı ve buna bağlı olarak kullanılacak kömür miktarı hesaplanır. Toplam pelet ağırlığına göre hesaplanan teorik kömür miktarından % 150 fazlası kullanılacak şekilde tartım yapılır. Hazırlanan peletler sünger demir elde etmek üzere önceden reaksiyon sıcaklığına (1200 C) ısıtılmış tüp fırına grafit kroze içerisinde konulur. 20 dakika sonra redüklenen pelet fırından alınarak desikatörde oda sıcaklığına soğutulur ve tartılır. 4

25 ÜRETİM METALURJİSİ ANABİLİM DALI Metalurji Proses Laboratuarı Deney Föyü MALZEME ÜRETİMİ 2 Sünger demir üretiminin ardından fırın 1400 C ye ısıtılır. Daha önceden hazırlanmış 2 adet kompozit pelet grafit kroze içerisine yerleştirilir. Redüksiyon süresi sona erdiğinde kroze fırından alınarak elde edilen demir tanelerindeki curuf - metal oluşumu incelenir. 5- HESAPLAMA Deneylerde kullanılan pelet konsantrasyonu ve kok kömürünün kimyasal bileşimleri aşağıda verilmektedir. Fe 3 O 4 SiO 2 Al 2 O 3 S Mn CaO MgO K 2 O Na 2 O P C Pelet Konst. 94,60 2,20 0,75 0,40 0,10 0,60 0,58 0,07 0, Kok - 8,26 4,30 0,54-1,24 0,35 0,29 0,08 0,14 80,30 Aşağıdaki formüller yardımıyla peletlerin redüksiyon yüzdeleri hesaplanır: Giderilen Oksijen % Re düksiyon Giderilmesi Gereken Oksijen 6- DENEY RAPORUNDA İSTENİLEN BİLGİLER a. Deneyin amacı ve yapılışını yazınız. b. Klasik peletlerin redüksiyonu için gereken teorik kömürü ve kompozit peletlerin içerdiği hammadde miktarlarını hesaplayarak, oluşan curufun baziklik oranını hesaplayınız. c. % Redüksiyon oranını hesaplayarak sonucu irdeleyiniz. d. Her deney için ayrı olarak verilen ödevi cevaplayınız. 7- KAYNAKLAR 1. M.N. Sarıdede, Divriği Peletlerinin Katı Redükleyicilerle Ön Redüksiyonu ve Ön Redüklenmiş Peletlerin Ergitme Şartlarının Optimizasyonu, YTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, T. Rosenqvist, Principles of Extractive Metallurgy, Mc Graw-Hill Book Co., 2 nd Ed F.Y. Bor, Ekstraktif Metalurji Prensipleri Kısım I ve II, İTÜ, TS ISO 11258: Demir Cevherler Gaz Dönüşüm Prosesleri ile yapılan Doğrudan İndirgeme, İndirgenebilirlik ve Metalleşme Özelliğinin Tayini. *100 5

26 Geri Dönüşüm Deneyin görevlisinden temin edilecektir

27 ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ 1-AMAÇ Bu deneyin amacı; Güneş pillerinde kullanılan yarı iletkenlerin ve güneş ışığından elektrik enerjisi üretiminin incelenmesi. Elektroliz yöntemiyle suyun bileşenlerine ayrılmasının elektrokimyasal olarak incelenmesi. Polimer Elektrolit Membran (PEM) Yakıt Hücreleri ile elektrik akımının üretilmesi. 2-TEORİK BİLGİ GÜNEŞ PİLLERİNİN YAPISI VE ÇALIŞMASI Yarı iletken maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır. Elde edilen yarı-iletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine bağlıdır (William F. Smith, 1990). En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin VA grubundan bir element, örneğin fosfor eklenir. Silisyum'un dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için, fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir. İlave elektronlar Si band yapısındaki yasak bölgede bir enerji seviyesi oluşturur ve elektronların iletken banda geçişini daha da kolaylaştırır. Bu nedenle VA grubu elementlerine "verici" ya da "n tipi" katkı maddesi denir. P tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe IIIA grubundan bir element (alüminyum, indiyum, bor gibi) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere de "p tipi" ya da "alıcı" katkı maddeleri denir (Kâşif Onaran, 1999). P ya da n tipi ana malzemenin içerisine gerekli katkı maddelerinin katılması ile yarı iletken eklemler oluşturulur. N tipi yarı iletkende elektronlar, p tipi yarı iletkende holler çoğunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarıiletkenler bir araya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel

28 bakımdan nötrdür. Yani p tipinde negatif enerji seviyeleri ile hol sayıları eşit, n tipinde pozitif enerji seviyeleri ile elektron sayıları eşittir. PN eklem oluştuğunda, n tipindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine doğru akım oluştururlar. Bu olay her iki tarafta da yük dengesi oluşana kadar devam eder. PN tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, p bölgesi tarafında negatif, n bölgesi tarafında pozitif yük birikir. Bu eklem bölgesine "geçiş bölgesi" ya da "yükten arındırılmış bölge" denir (T. Markvart, Handbook). Bu bölgede oluşan elektrik alan "yapısal elektrik alan" olarak adlandırılır. Şekil 2.1 de bir güneş hücresinin yapısı gösterilmiştir. Şekil 2.1. Güneş Hücresinin yapısı (T. Markvart, Handbook). Yarı iletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir. Yarı iletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu bandlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha büyük enerjili bir foton, yarı iletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans bandında ki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar. Böylece, elektron-boşluk çifti oluşur. Bu olay, PN eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş ise elektron-boşluk çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde güneş pili, elektronları n bölgesine, boşlukları de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır (T. Markvart, Handbook). Birbirlerinden ayrılan elektron-boşluk çiftleri, güneş pilinin uçlarında bir elektrik akımı oluşturur. Oluşan akım miktarı güneş pili ile gelen fotonun açısına ve foton kaynağı ile arasında ki mesafeye bağlıdır. En fazla akım elde etmek için güneş pillinin normali ile ışın kaynağının normali çakışmalıdır, yani aralarındaki açı 0 o olmalıdır. Şekil 2.2 de farklı açılar ile akım değerlerinin nasıl değiştiği deneysel olarak belirlenmiştir.

29 Şekil 2.2. Foton kaynağı ile güneş pili arasında ki açıya bağlı olarak akımda ki değişim eğrisi. Güneş pilinin normali ile foton kaynağının normali arasındaki açı artığında elde edilen akım miktarı düşüş gösterecektir. Bir diğer önemli etken ise foton kaynağının güneş piline olan uzaklığıdır. Deneysel olarak mesafeye bağlı akım miktarında ki değişim ile belirlenmiş ve Şekil 2,3 de gösterilmiştir. Şekil 2.3. Foton kaynağının güneş piline uzaklığına bağlı olarak akımda ki değişim eğrisi. Güneş panelinde oluşan bu akım elektroliz hücresine gönderilir.

30 SUYUN ELEKTROLİZİ Elektroliz hücreleri dıştan uygulanan elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürürler. Bir elektroliz hücresinde (-) yüklü elektrot Katot, buna karşılık (+) yüklü elektrot anottur. Elektroliz hücresinde akım yönü katottan anoda doğrudur(s. Üneri,1978). Şekil 2.4 de bir elektroliz hücresinin akım şeması görülmektedir. Şekil 2.4. Elektroliz Hücresi (H. Yalçın, 1999) Dış akım kaynağının (-) ucu katoda bağlanarak elektron verir. Böylece katotta bir redüksiyon, anotta bir oksidasyon reaksiyonu zorlanarak yürütülür. Devreden hiç akım geçmezken ölçülen elektrot potansiyeline denge potansiyeli denir. Anot veya Katodun denge potansiyeli aşağıda belirtilen Nernst denklemi ile belirlenir: Bu denklemde E o E E o RT nf ln Q a standart elektrot potansiyelini, R ideal gaz sabitini, T sıcaklık (K), n reaksiyonun tamamlanması için gerekli olan elektron sayısını ve F Faraday sabitini belirtmektedir. Elektroliz hücresinde reaksiyonların gerçekleşmesi için dışardan uygulanan akım ile anot ve katot potansiyelleri denge potansiyelinden daha yüksek bir değere çıkarılmalıdır. Reaksiyonların başlaması için gerekli olan endüşük potansiyele ayrışma gerilimi denir. Teorik ayrışma gerilimi elektroliz hücresinin katot potansiyeli ile anot potansiyeli arasındaki farka eşittir; E A.G = E Katot E Anot

31 Suyun elektrolizinde ayrışma reaksiyonları: Katottan Hidrojen çıkışı: 2H + + 2e - H 2 Anottan Oksijen Çıkışı: 2OH - + 1/2O 2 H 2 O + 2e - Toplam reaksiyon: 2H + + 2OH - H 2 + 1/2O 2 +H 2 O Suyun elektrolizinde ayrışma geriliminin hesaplanması: Katot potansiyeli (oksidasyon olarak): E katot = E o 0,059/2 log (10-7 ) 2 = 0,413 Volt Anot potansiyeli: E anot = E o 0,059/2 log(10-7 ) 2 = -0,814 Volt Suyun teorik atrışma gerilimi: E A.G = E katot E anot E A.G = 0,413 (-0,814) = 1,227 Volt Suyun bileşenlerine ayrılması için güneş panelinden teorik olarak 1,227 Volttan daha fazla bir potansiyel elektroliz hücresine gelmelidir (H. Yalçın, 1999). Şekil 2.5 de görüldüğü üzere suyun ayrışma gerilimi olan 1,227 V daha düşük gerilimler de elektroliz hücresinde akım geçişi ve gaz oluşumu olmaz iken daha yüksek gerilim değerlerinde suyun elektrolizi meydana gelmekte ve elektroliz akımı artış göstermektedir. Şekil 2.5. Elektroliz hücresinin Akım-Potansiyel eğrisi.

32 PEM TİPİ YAKIT HÜCRELERİNDEN ELEKTRİK AKIMI ÜRETİMİ Yakıt hücreleri kimyasal enerjiyi elektrokimyasal bir yöntemle elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Yakıt hücreleri anot, katot ve elektrolit olarak geçerken bir zardan meydana gelmektedir. Anot ve katotta gerçekleşen reaksiyonlar sonucu arada oluşan potansiyel fark sayesinde elektrik enerjisi üretilmektedir. Bu potansiyel farktan elektrik üretilmesi sistemden elektron yani akım çekilmesiyle gerçekleşmektedir. Yakıt hücrelerinde genellikle hidrojen, alkol veya diğer hidrokarbonlar yakıt olarak kullanılmaktadır. Yakıt anot tarafına beslenir. Katot tarafı ise oksijen veya oksit içeren hava ile beslenir (J. Zang). Şematik olarak tek hücreden oluşan bir yakıt hücresi Şekil 2.6 de gösterilmiştir. Şekil 2.6. Şematik olarak PEM Tipi bir yakıt hücresi (J. Zang), Yakıt hücrelerinde anot ve katotta oluşan reaksiyonlar sonucu bir gerilim oluşmaktadır. Tek hücreden oluşan yakıt hücrelerinde anot ve katot dışarıdan birbirlerine bağlanır ve bu yol üzerine bir yük konularak elde edilen gerilim farkı ile oluşan elektron akımı harcanır. PEM Tipi bir yakıt hücrelerinde net reaksiyon ile anotta ve katotta gerçekleşen reaksiyonlar aşağıdaki gibidir. Anot Reaksiyonu: 2H 2 + 4H + + 4e - Katot Reaksiyonu: O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O Toplam Reaksiyon: 2H 2 + O 2 2H 2 O Eğer hiçbir kayıp olmadığı göz önünde bulundurulursa bu reaksiyonlar sonucu aşağıdaki denklemden hesaplanan anot ile katot arasındaki gerilim farkı 1,23 V kadardır. Bu değere açık devre potansiyeli denilmektedir. Açık devre potansiyelinin mümkün olduğu kadar yüksek olması istenir.

33 E G nf f Burada G f Gibbs serbest enerjisi. Teorik olarak hesaplanan bu değere ulaşmak mümkün değildir çünkü bu değer sıcaklık, basınç ve konsantrasyona bağlı olarak değişir. Bunların dışında bu değeri olumsuz yönde etkileyen birçok farklı kayıp vardır. Bu kayıpların en önemlileri aktivasyon kaybı, direnç kaybı ve kütle transferi kayıplarıdır. Suyun hidrolizi sonucu elde edilen hidrojen ve oksijen yakıt olarak kullanılmak üzere birbirine istenilen amaca göre birbirleri ile seri veya paralel bağlanmış iki tip polimer elektrolit membran yakıt hücrelerine gönderilir ve kimyasal reaksiyonlar sonucunda elektrik enerjisi üretilir (J. Zang). 3- KULLANILAN CİHAZLAR VE MATERYALLER Güneş Paneli Elektroliz için gerekli gücü oluşturmak için kullanılır ve ısın kaynağına göre farklı açılarla döndürülebilir. PEM Elektroliz Hücresi Bir tane yüksek performanslı PEM elektroliz cihazı ve gaz depolanması için 65 ml dereceli silindir kap. 2 PEM Yakıt Hücresi Seri veya paralel bağlanmış Standart Polimer Elektrolit Membran Tipi. Yük Ölçüm Modülü 10-pozisyon çeşitli direnç, lamba ve motor. Ölçü voltajı ve akım KAYNAKLAR 1- William F. Smith, Principles of Materials Science and Engineering, McGraw-Hill Companies; Sub edition (Nisan 1990). 2- Kaşif Onaran, Malzeme Bilimi, Bilim Teknik Yayın Evi (Eylül 2006). 3- Tom Markvart ve Luis Castaner, Practical Handbook of Photovoltaics Fundementals and Applications, Elsevier. 4- Saadet Üneri, Elektrokimya Cilt 1 s.28, Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Yay. (1978) 5- H. Yalçın, T. Koç, Elektrokimya, Palme Yayıncılık, (1999). 6- JiuJun Zang, PEM Fuel Cellsi, Electrocatalaysts and Catalays Layer, Springer.

34 DSC Slip Döküm Deneyin görevlisinden temin edilecektir

35 HİDROMETALURJİ 1-AMAÇ Kalkopirit esaslı bakır cevher ve konsantrelerinden bakır çözünmesinin ve çözünmeyi etkileyen parametrelerin incelenmesidir. 2-TEORİK BİLGİ Bakır cevherleri genel olarak uzun yıllardan beri ve çoğunlukla pirometalurjik yöntemlerin kullanılmasıyla işlenmektedir. Ancak son yıllarda pirometalurjik yöntemlerin yerini hidrometalurjik yöntemler almaktadır. Pirometalurjik yöntemler çevreye yayılan SO 2 gazlarından, cevherin belli bir konsantrasyona kadar zenginleştirilmesi gerekmesinden, bakırla beraber bulanan diğer metalleri kazanılmasında büyük kayıplar olmasından ve işletme maliyetlerinin yüksek olmasından dolayı yerini hidrometalurjik yöntemlere bırakmaya başlamıştır. Bu yöntemlerde temel prensip cevher içindeki kıymetli elementi, olabildiğince seçici olan, bir reaktif ile çözündürerek çözeltiye almaktır. Hidrometalurjik yöntemlerde maden yatağından çıkartılan cevher kırma ve öğütme işleminden sonra uygun liç çözeltisiyle çözündürme yapılarak elde edilen çözeltiden metalik bakır üretilmektedir. Bakır cevherlerinin liçinde sülfürik asit, amonyak, amonyum tuzlan, klorür-sülfat çözeltileri, nitrat çözeltileri ve mikroorganizma bulunan çözeltiler kullanılabilmektedir. Bakır cevherleri arasında kalkopirit minerali diğerlerine göre çok daha fazla bulunmaktadır ve hidrometalurjik yöntemler üzerine yapılan araştırma ve çalışmalar çoğunlukla bu tip cevherler üzerine yoğunlaşmıştır. Kalkopiritin sülfürik asitle liçinde oluşan reaksiyonlar aşağıdaki gibidir: CuFeS 2 + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + FeSO 4 + 2H 2 S CuFeS 2 + 2Fe 2 (SO 4 ) 3 = CuSO 4 + 5FeSO 4 + 2S o Liç öncesi yapılan kavurma işlemlerinde pirometalurjik yöntemlerde olduğu gibi ekonomik ve çevresel açıdan bir takım zorluklar vardır. Bu zorluklar özellikle sülfürlü cevherlerin belli bir tane boyutuna getirildikten sonra doğrudan liçi ile ortadan kaldırılabilmektedir. Ancak doğrudan liç yöntemleri oksitli cevherlere rahatlıkla uygulanabilirken, sülfürlü cevher için atmosferik şartlarda kuvvetli oksidan şartlara veya otoklavlarda yüksek sıcaklık ve yüksek oksijen basıncına ihtiyaç vardır.

36 HİDROMETALURJİ Çözünme Mekanizmaları Liç işlemlerinde tepkime hızı; tepkimeye giren ya da tepkime ürünleri derişiminin zamana göre nasıl değiştiğini gösterir. Bilindiği gibi liç işlemlerinde çözünme hızı genellikle zamanla azalmaktadır. Bu durum; tepkime süresi ilerledikçe tepkimenin meydana geldiği yüzey alanının küçülmesi, çözücü derişiminin azalması veya yüzeyde koruyucu bir tabakanın oluşması (pasivasyon) nedeniyle meydana gelmektedir. Çözünme hızı aynı zamanda doğrudan aktivasyon enerjisine bağlıdır. Liç işlemlerinde aktivasyon enerjisinin büyüklüğü çözünme olayının zorluğunu gösterir. Yani zor çözünen mineral yüksek aktivasyon enerjisine sahip olmaktadır. Liçi Etkileyen Faktörler Hidrometalurjik işlemlerin birçoğu heterojen reaksiyonlardan ibarettir (birden fazla faz arasındaki reaksiyon tipi). Bu reaksiyonların hızı öncelikle liç sisteminin hidrodinamiğine (karıştırma ve difüzyon gibi) ve sistemde mevcut bileşenlerin kimyasal etkileşimlerine bağlıdır. Açık bir ifade ile herhangi bir cevherin sulu bir ortamda liçi aşağıdaki faktörlerin etkisi altındadır: 1. Cevherin tane boyutu. 2. Çözücünün bileşimi ve derişimi. 3. Çözücü ile cevherin temas süresi. 4. Liç Sıcaklığı. Bunlara ilaveten, cevherin oluşum tarzının ve bileşiminin de liçi etkilediği bir gerçektir. 3-KULLANILAN STANDARTLAR

37 HİDROMETALURJİ 4-KULLANILAN CİHAZLAR VE MATERYALLER Kalkopirit cevher ve konsantresi Asit Hassas terazi. Oksitleyici Isıtıcılı Manyetik Karıştırıcı Karıştırmalı su banyosu Pipet, piset,beher Huni, filtre kağıdı Cevher/ konsantre Element (% Ağırlık) Cu Fe Co Zn Ni Au(ppm) Ag(ppm) Küre Cevher 1, ,08-0,12 0,1-0,15 0,3-0,4 0-0,5 - Küre Konsantre ,08-0,12 0,1-0,15 0,3-0,4 4-4, DENEYİN YAPILIŞI Boyut küçültme ve kurutma işlemlerinden sonra liç için hazır hale getirilmiş olan numuneler liç yöntemleriyle 1/100 katı sıvı oranında, oksidan içeren asit ortamında farklı sıcaklıklarda çözündürülür. 6-SONUÇLARIN ALINMASI Elde edilen çözeltiler soğutulur, süzülür. Gerekirse seyreltme yapılarak kimyasal analizi yapılır. 7-HESAPLAMA % Liç Verimi = [Çözeltiye geçen Cu miktarı (mg/l) / Numunedeki Cu miktarı (mg/l)] x100 formülünden hesaplanır.

38 HİDROMETALURJİ 8-SONUÇ Bakır cevher ve konsantresinden bakırı çözeltiye alma işleminin gerçekleştirilerek liç veriminin hesaplanmasıdır. Deney Raporunda İstenilen Bilgiler: 1. Deneyin yapılışı, kullanılan yöntemler hakkında kısaca bilgi verilecektir. 2. Kimyasal analiz sonuçları belirtilerek her bir numunenin % liç verimi hesaplanacaktır. 3. Bulunan verim değerleri bir tabloda gösterilerek yorumu yapılacak, kullanılan yöntemler karşılaştırılacaktır. 9- KAYNAKLAR 1. Aydoğan, S. (2000), Hafif Madentepe Bakır Cüruflarının Sülfürik Asit, Asidik Ferik Sülfat ve Amonyak Liçi Koşullarının Belirlenmesi, Doktora Tezi, Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. 2. Canbazoğlu, M. (1979), "Hidrometalurjide Yeni Gelişmeler", T.M.M.O.B. Maden Müh Odası, Madencilik, sayfa Canbazoğlu, M. (1979), "Sülfürlü Cevherlerin Hidrometalurjik Yöntemlerle Değerlendirilmesi" T.M.M.O.B.Maden Müh.Odası, Madencilik Dergisi, pp Canbazoğlu, M. (1986), "Hidrometalurji", T.M.M.O.B. Maden Müh. Odası, Madencilik, sayfa Venkatachalam, S. (1991), Treatment of Chalcopyrite Concentrates by Hydrometallurgical Techniques, Mineral Engineering, 4(7-11),

39 ÇÖZELTİYE ALMA VE ELEMENTEL ANALİZ 1. DENEYİN AMACI: Çinkosülfat çözeltilerinin sementasyon yoluyla bakırdan arındırılmasında ph değerinin sementasyon verimine (harcanarak çinko tozu miktarına) etkisinin incelenmesi ve çözeltiye alınan bakır miktarını ve çöktürülen bakır miktarının atomik absorbsiyon spektrometresinde sıvı analizi yaparak çöktürme verimini karşılaştırmak. 2. TEORİK BİLGİ: Çinko Sülfat Çözeltilerinin Sementasyonla Temizlenmesi Metalllerin EMF serisinde gösterilen çerçeve içerisinde çözeltide bulunan herhangi bir metal iyonunun, kendisinden daha negatif oksidasyon potansiyeline sahip bir başka metali (granül, levha, toz, hurda) söz konusu çözeltiye atma işlemine sementasyon denir. Sementasyon işlemi ya bir metalin üretimi ya da bie elektrolitin emprütelerinden arındırılması amacıyla uygulanır. Cu üretimi örnek alındığında sementasyon işlemi fakir çözeltilerin değerlendirilmesinde söz konusu olur. Sementasyon işleminin metal üretimi dışındaki en yaygın uygulaması çeşitli elekrolitlerin istenmeyen iyonlarından temizlenmesi işlemidir. Çinkosülfat çözeltilerinin elektroliz öncesi çinko tozu ilavesi ile saflaştırılması bu metalin hidrometalurjik üretrimindeki hakim teknolojidir. Bu sementasyon işleminin hedefi özellikle bakır ve kadminyumun çözeltiden atılmasıdır. Bu semnetasyon olayında çinko: Zn 0 Zn e - anodik yarım hücre reaksiyonu gereğince çinko iyonlarına oksitlenirken Cu e - Cu 0 katodik yarım hücre reaksiyonu gereğince bakır iyonları da metalik Cu a redüklenir. Toplam hücre reaksiyonu Cu 2+ + Zn 0 + 2e - Cu 0 + Zn e - şeklindedir. Sementasyon uygulanan çözeltinin ph değeri son derece önemlidir. Asidik ortamlarda hidrojen iyonu konsantrasyonu yüksek olduğundan: