YASSI MAMUL ÜRETEN ENTEGRE DEMİR ÇELİK TESİSLERİNDE MINIMILL UYGULAMALARI Beyhan ÇELİK Özet: Minimiller, hedefledikleri pazara yakın bölgede, küçük sermaye yatırımı ile, büyük miktarlarda kolay şekillendirilebilen çelik kalitelerinin, düşük üretim maliyeti ile üretilebilmesi amaçlanarak tasarlanmıştır. Entegre tesisler, minimillerin düşük maliyetli üretim rekabetine karşılık, Yüksek Fırın-Çelikhane (BOF) sürecine minimilleri entegre ederek karşı koyma yoluna gitmişlerdir. Bu bildiride, minimill teknolojisi ve yassı çelik üreten entegre tesislerde konvansiyonel haddehanelerin yanında minimill istihdamı ve bunun etkileri üzerinde durulmaktadır. Anahtar sözcükler: Minimill, Konvansiyonel Haddehane, Entegre Tesisler.. MINIMILL e ULAŞILAN SÜREÇ Entegre Demir ve Çelik Tesisleri ve bunların içinde yer alan konvansiyonel haddehaneler, demir cevherinden yassı çeliğe ulaşan bir üretim sürecini gerçekleştirmektedirler. Bünyelerinde bulunan Yüksek Fırın, Çelikhane (BOF), Sürekli Slab Döküm ve Haddehaneler gerek üretim süreci gerekse tesis büyüklükleri nedeniyle büyük ve özel yerleşim bölgesi (liman ve demiryolu bağlantısı), uzun yapım süresi ve büyük sermaye yatırımını gerektirmektedir. Günümüz koşullarında, yassı mamul üreten entegre demir çelik tesislerinin ilk yatırım maliyeti ton başına yaklaşık.$-.5$ düzeyindedir. Minimiller ise, entegre tesislerin dezavantajı olarak görülen büyük ve özel yerleşim alanı, uzun yapım süresi ve büyük sermaye yatırımına karşılık, daha küçük alanlara daha kısa sürede ve daha küçük sermaye yatırımı ile yapılabilmesi ve sadece bulunduğu yerel pazarın talebine odaklanan bir ürün yelpazesinin daha düşük maliyetle üretimi hedeflenerek tasarlanmıştır. Günümüzde, bir minimill in ilk yatırım maliyeti ton başına 3$- 5$ düzeyindedir. Bu amaçla SMS firması tarafından tasarlanan ilk minimill 99 yılında ABD de, NUCOR firması tarafından işletilmeye başlanmıştır. Hurda çeliğin eritilerek sıvı çeliğin elde edildiği Ark Ocakları, ikincil metalurji tesisleri, ince slab döküm ve buna doğrudan bağlı sıcak haddehaneden oluşan tesis.. ton/yıl kapasite ile kurulmuş olup daha sonra ilave edilen ikinci ince slab döküm yolu ile halen 2.. ton/yıl kapasiteye ulaşmış bulunmaktadır. I.Kuşak minimiller olarak adlandırılabilecek olan, sıvı çeliğin hurdadan elde edildiği tesisler, hurdadan kaynaklanan kalıntı elementler nedeniyle tüm yassı çelik kalitelerinin üretimine cevap verememektedir. Bunun yanında hurda temininde güçlük ve talep artışına paralel olarak hurda fiyatlarında meydana gelen artış hurda ve/veya pik demir ile birlikte DRI (Direct Reduced Iron-doğrudan indirgenmiş demir) veya HBI (Hot Briquetted Iron-sıcak briketlenmiş demir) kullanılan, II. Kuşak minimillerin ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Böylece, hurdaya alternatif yaratıldığı gibi hurdadan kaynaklanan kalıntı element sorununa da önemli ölçüde çözüm bulunmuştur. Küçük sermaye yatırımı ile kısa sürede kurulabilen ve bir sonraki bölümde açıklandığı gibi düşük üretim maliyetine sahip olan minimiller, son on yılda, Entegre Demir Çelik tesislerinde konvansiyonel haddehaneler ile yassı çelik üreten tesislere karşı önemli rakip durumuna gelmişlerdir. Entegre tesisler bu rekabete karşı koyabilmek için, ince slab döküm ve buna doğrudan bağlı sıcak haddehaneden oluşan minimilleri, Yüksek Fırın (YF) ve BOF sürecine entegre etme yoluna gitmişlerdir. Böylece hem düşük maliyetli rekabete karşı koyabilecek duruma gelmişler hem de YF ve BOF sürecinden elde edilen saf çelik kullanımı sayesinde daha kaliteli ve geniş bir ürün yelpazesine ulaşarak I. ve II. Kuşak minimillere karşı avantajlı bir duruma geçmişlerdir. III.Kuşak olarak adlandırılabilecek olan bu tesisler ilk olarak 999 yılında Kanada da ALGOMA Steel ve Almanya da THYSSEN tarafından işletilmeye başlanmıştır. ALGOMA Steel konvansiyonel haddehanesini tamamen kaldırmış ve yerine, özellikle, hitap ettiği pazarın talep ettiği ürünleri göz önüne alarak tasarlanan bir minimill kurmuştur. THYSSEN ise mevcut konvansiyonel haddehanelerinin yanına bir minimill eklemiştir. 467
Slab Sahası Yüksek Fırın Çelikhane BOF Kalın Slab Döküm Slab Fırını D R R2 D2 Entegre Tesis- Konvansiyonel Haddehane PRSB krop makası Şerit Hadde Duşlu Masa B S Hurda pik DRI HBI Ark Ocağı Pota Tundiş ince slab İkincil Döküm Metallurji Kalıp Şerit sıcaklık Hadde dengeleme fırını I. ve II. Kuşak Minimill Duşlu Masa Bobin Sarma Şekil. Entegre Tesis ve Minimill Akış Şeması Şekil. Entegre Tesis ve Minimill Akış Şeması Entegre tesisler, YF-BOF sürecine minimill entegre ederek rekabet edebilir duruma gelmelerine rağmen, I. ve II. Kuşak minimiller, hedeflenen pazara yakın yerlere, küçük sermaye ile kısa sürede kurulabilmeleri nedeniyle hala belli ölçüde avantajlarını korumaktadırlar. 2. MINIMILL TEKNOLOJİSİ Bir önceki bölümde açıklandığı gibi, minimillerde sıvı çelik ark ocağı kullanılarak ya hurda çelikten ya da hurda, pik demir, DRI ve HBI ın uygun oranlarda karıştırılarak eritilmesi yoluyla veya entegre tesislerde BOF çeliği kullanılarak elde edilmektedir. Bu çalışmada sıvı çelikten itibaren sıcak şerit bobin üretimine kadar olan süreç üzerinde durulacaktır. Sıvı Çelik-Sıcak Şerit Bobin süreci göz önüne alındığında minimiller üç temel prensip üzerine tasarlanmıştır[]. i) Üretim Sürecinde Kademe Sayısının en aza indirilmesi: Konvansiyonel haddehanelerde, sıvı çelikten sıcak şerit bobine geçiş sürecinde; kalın slab döküm, sıcak veya soğuk yükleme slab fırınları, kaba haddeler, şerit hadde, duşlu masa ve bobin sarma kademeleri bulunmaktadır. Minimillerde ise ince slab döküm tesisinin şerit hadde ile doğrudan bağlanması, slab ısıtma fırınını, slabın ince dökülmesi de kaba hadde kademelerini ortadan kaldırmıştır. Böylece, ilk yatırım maliyeti ve gerekli alan önemli ölçüde azalmıştır. ii) Enerji Tüketiminin en aza indirilmesi: İnce slab döküm tesisinin, sıcak haddehaneye doğrudan bağlanması ile konvansiyonel haddehanelerde gerekli olan slab ısıtma fırınları ve burada tüketilen enerji ihtiyacı ortadan kalkmıştır. Minimillerde, slab fırınları yerine, sadece slab boyunca sıcaklığın aynı olmasını sağlamak amacıyla sıcaklık dengeleme fırınları bulunmaktadır. İnce slab dökümden yaklaşık 2 C sıcaklıkta gelen slab, sıcaklık dengeleme fırınlarında yaklaşık 2 dakika tutulmakta ve doğrudan haddelenmeye gönderil-mektedir. Konvansiyonel bir haddehanede, slab fırınlarında 3 Mcal/ton enerji tüketilirken, minimillde, sıcaklık dengeleme fırınlarında sadece Mcal/ton enerji tüketilmektedir[6]. Konvansiyonel haddeha-nelerde slab fırınlarında tüketilen enerjinin üretim maliyetinin yaklaşık % 25 ini oluşturduğu göz önüne alınırsa minimiller, sadece bu açıdan %7 mertebesinde düşük maliyet avantajına sahiptirler. Aşağıda verilen grafikte, konvansiyonel haddehane ile minimill arasında her üretim kademesinde oluşan maliyet farkı ve toplam fark verilmektedir[2]. Görüldüğü gibi sıcak şerit bobin kademesine kadar toplam fark 25$/ton düzeyindedir. 468
8-899 -99 2-299 4-499 6-699 8-899 2-299 22-2299 Haddehane Sayısı Maliyet Farkı ($) - -2-3 -4-5 -6-7 -8 toplam fark Şekil 2. Maliyet Farkı kademe farkı Malzeme Sıvı çelik Slab Sıcak şerit Soğuk şerit iii) Slab sıcaklığının sabit tutulması: Sıcaklık dengeleme fırınlarında yaklaşık 2 dakika tutularak, slab gövdesinde, sıcaklık dağılımı, hemen hemen tamamen homojen hale gelmektedir. Bu nedenle, haddeleme ve soğutma işlemleri sabit hızda gerçekleştirilebilmekte ve kenar ısıtma, hızlandırılmış haddeleme veya ara soğutma gibi işlemlere gerek kalmamaktadır. Böylece, homojen bir mikroyapıya sahip yassı çelik elde edilebilmektedir. Metalurjik açıdan bakıldığında, yine, minimill ile konvansiyonel haddehane arasında önemli bir fark vardır. Minimillde, slab, haddeleme başlangıcında döküm yapısında austenite fazındadır. Konvansiyonel haddehanede ise kaba haddelemeden sonra şerit haddeye girişte malzeme rekristalize olmuş yapıdadır[3]. Bu nedenle minimillde haddeleme esnasında hem döküm yapısındaki mikroyapı homojen rekristalize yapıya hem de iri taneli austenite ince taneli ferrit fazına dönüşmektedir. küçük sermaye yatırımı ve düşük maliyetle üretilebilmesi amacıyla tasarlanmışlardır[4]. Genel olarak bakıldığı zaman, konvansiyonel haddehanelerin hemen hemen hepsi, tüm yassı çelik kalitelerini üretebilecek yapıda tasarlanmışlardır. Bu nedenle, ürün yelpazelerinde küçük oranda yer alsa bile, her çelik kalitesini üretebilmek için gerekli ekipman ve haddeleme gücüne sahiptirler. Bu özellik, konvansiyonel haddehanelerin ilk yatırım maliyetini yükselten en önemli unsurdur. Kuruluş yıllarındaki teknoloji düzeyi ve daha sonra geçirdikleri modernizasyon aşamaları ile konfigürasyonlarında bazı farklılıklar gösterseler de ürün yelpazesi açısından temel farklılıkları sadece haddelenebilen şerit genişliği ndedir. Aşağıda verilen grafikte, 52 konvansiyonel haddehanenin maksimum haddelenebilir genişlik dağılımı verilmiştir[4]. Dağılımda dikkat çekici nokta, 7 mm ile 6 mm aralığında haddeleme yapabilen haddehanelerin 7 adet olup toplamın % 46 sını teşkil etmesidir. 988 yılında Avrupada üretim yapan 2 adet konvansiyonel tesisin, çelik kalitelerine göre üretim yelpazeleri Şekil 4. de verilen grafikte görülmektedir[4]. Gözönüne alınan 2 tesis toplam 44 milyon ton/yıl üretim yapmakta olup bu dağılım tüm Avrupa Topluluğu nu temsil edebilir niteliktedir. Ülkemiz ile Avrupa Topluluğu arasında, sanayileşme açısından var olan faz farkı dikkate alınırsa, bu dağılım ülkemizin yassı çelik talep yelpazesinin yakın gelecekteki projeksiyonu olarak kabul edilebilir. Grafikte görüldüğü gibi, kolay şekillendirilebilen alaşımsız çelikler toplam üretimin % 76,2 sini teşkil etmektedir. Başka bir deyişle pazar tarafından talep edilen ürünlerin dörtte üçü (3/4) minimiller tarafından üretilebilecek çelik kalitelerinden meydana gelmektedir. 35 3 34 3.ENTEGRE DEMİR ÇELİK TESİSİ KONVANSİYONEL HADDEHANE VE MINIMILL ENTEGRASYONU 25 2 22 2 24 Minimiller, hurdadan kaynaklanan kalıntı elementler, slabın ince dökülmesi ve sıcaklık dengelemeden hemen sonra doğrudan haddelenmesi nedeniyle, üretilebilen çelik kalitesi sayısı ve kalınlık açısından sınırlamalara sahiptirler. Maksimum 5 mm slab kalınlığı göz önüne alınırsa maksimum şerit kalınlığı mm ile sınırlıdır. Ürün yelpazesi ise doğrudan haddelenebilir kaliteler olması sebebiyle kolay şekillenebilir, alaşımsız, soğuk şekillendirmeye uygun çelik kalitelerinden oluşmaktadır. Son yıllarda, haddelenebilir çelik kalitesi sayısında önemli artışlar kaydedilmekle birlikte, minimiller, büyük miktarlarda kolay şekillendirilebilen çelik kalitelerinin, 5 9 6 7 6 5 3 3 4 4 2 Şerit Genişliği(mm) Şekil 3. Haddehanelerin Genişliğe göre Dağılımı 469
<2 2,5 3,5 5 7 4 8 22 Toplamda Pay (%) 2 3 6 8 2 4 6 8 2 Toplamda Pay (%) kolay şekillendirilebilen alaşımsız çelikler genel yapı çelikleri yüksek mukavemetli karbon çelikleri mikro alaşımlı, ince taneli boru ve yapı çelikleri paslanmaz çelikler Si-alaşımlı çelikler 25 2 5 76,2 5 Genişlik (mm),9 3,3 6,4,5 Şekil 4. Avrupalı 2 tesisin 988 yılında çelik kalitelerine göre ürün dağılımı (%) Yine 988 yılında, Batı Almanya da, toplam 2 milyon ton/yıl üretim yapan 6 adet konvansiyonel haddehanenin kalınlık ve genişliğe göre üretim yelpazesi aşağıda verilen grafiklerde görülmektedir. Dikkat çekici nokta, kalınlığı,75 mm ile mm arasındaki ürünlerin toplamın % 95,7 sini, genişliği 6 mm ile 6 mm arasındaki ürünlerin de toplamın % 93,2 sini teşkil etmesidir. Göz önüne alınan bu 6 tesisin kalınlık ve genişlik dağılımına göre ürün yelpazesine daha önce verilen 2 Avrupalı tesisin çelik kalitelerine göre dağılımı uygulanırsa, Avrupa yassı çelik pazarında talep edilen ürünlerin % 68 inin minimiller tarafından üretilebilecek ürünler olduğu sonucuna ulaşılmaktadır. Başka bir deyişle konvansiyonel bir haddehanenin mevcut ürün yelpazesinin üçte ikisi (2/3) bir minimill e devredilebilecektir. Böyle bir uygulamaya gidilmesi durumunda ise konvansiyonel haddehanenin ürün yelpazesinde katma değeri yüksek zor şekillendirilebilir, yüksek mukavemetli ve mm den daha kalın malzemelerin payı artırılarak hem üretim artışı hem de ciro artışı sağlanabilecektir.,7 Şekil 6. Genişliğe göre Üretim Yelpazesi Daha önce bahsedildiği gibi, konvansiyonel haddehaneler tüm çelik kalitelerini haddeleyebilecek kapasitede tasarlandıkları için en zor şekillendirilebilir malzemelere uygun haddeleme güçlerine sahiptirler. Bir konvansiyonel haddehane, zor şekillendirilebilir (St37, X7 vb.) malzemelerin haddelenmesi esnasında haddeleme tork kapasitesinin yaklaşık % ünü kullanırken kolay şekillendirilebilir (St2 vb.) malzemelerin haddelenmesi esnasında ise haddeleme tork kapasitesinin, kaba haddede yaklaşık %42 sini, şerit haddede ise F-F3 arası %64 ünü, F4-F7 arasında ise %28 ini kullanmaktadır[4]. Entegre demir çelik tesisi bünyesinde, konvansiyonel haddehanenin yanında bir minimilin de kullanılması halinde, ürün yelpazesi yukarıda bahsedildiği gibi paylaşılarak hem üretim ve ciro artışı sağlanabilecek hem de konvansiyonel haddehanenin tasarlanan maksimum haddeleme güçlerine yakın kullanılması ile yapılan tesisin daha efektif kullanımı sağlanabilecektir. 3. Son Gelişmeler Minimill teknolojisinde gelinen son aşama, ince şerit (thin-gauge strip) ve çok ince şerit (ultra thin-gauge strip) üretiminin ticari olarak gerçekleştirilmesidir. Kalınlık(mm) Şekil 5. Kalınlığa göre Üretim Yelpazesi Bilindiği gibi, konvansiyonel haddehanelerde 2 mm den daha ince şeritler, sıcak haddelemeden sonra soğuk haddeleme sonucunda üretilmektedir. Son iki yıldır, Meksika da HYLSA ve Almanya da THYSSEN de, mm kalınlığa kadar ince ve çok ince sıcak şeritler ticari olarak üretilebilmektedir. Hatta test çalışmalarında,9 mm ye kadar inilmiş bulunulmaktadır. Böylece, minimiller ile konvansiyonel haddehaneler arasında soğuk haddelenmiş yassı çelik pazarında da rekabet başlamış bulunmaktadır. Minimillerde, ince ve çok ince şeritler doğrudan sıcak haddehaneden elde edilebildiği için önemli bir maliyet düşüşü sözkonusudur. Şekil 2. de görüldüğü gibi, bu 75 $/ton a kadar ulaşmaktadır[2]. 47
İnce sıcak şerit üretiminde, belirli bazı sorunlarla da karşılaşılmaktadır. Bu sorunların en önemlilerinden biri merdane ömrünün 2 bobine kadar kısalmasıdır[5]. Halen, sorunların çözümü yönünde çalışmalara üretimle birlikte devam edilmektedir. 4. SONUÇLAR ticari Sınırlı ürün yelpazelerine rağmen, küçük sermaye yatırımı ile düşük üretim maliyetine sahip olan minimiller konvansiyonel haddehaneler ile kıyasıya bir rekabet içerisindedirler. Son gelişmelerle bu rekabet soğuk haddelenmiş şerit pazarına da taşınmış bulunmaktadır. Yassı mamul üreten entegre demir çelik tesisleri ise bu rekabete, minimilleri, konvansiyonel haddehaneleri ile birlikte, YF-BOF sürecine entegre ederek karşı koyma yoluna gitmektedirler. Bu tür uygulamalar için yapılan çalışmalarda, minimill ile konvansiyonel haddehane arasında ürün yelpazesinin uygun paylaşımı ile konvansiyonel haddehanelerde üretim artışı ve ciro artışının yanında haddehanenin daha efektif kullanımının da sağlanacağı görülmüştür. 5. KAYNAKLAR [] W.Rohde, G.Flemming Current state capabilities and further developments of the CSP technology Metallurgical Plant and Technology International, 4/995, s 82-98. [2] E.A.Donini, R.Borsi, A.Carboni Flexible thin slab rolling: Matching the requirements of integrated producers Iron and Steel Engineer, June 997, s 39-44. [3] G.Flemming, K.E.Hensger Present and future CSP technology expands product range AISE Steel Technology, January 2, s53-57. [4] W.Rohde, H.Wladika Development of plant technology for hot strip production in the future Metallurgical Plant and Technology International, 2/99, s 7-83. [5] L.A.L.Lezama, M.V.Mercado, R.G.Pena Hot rolling of thin gage strip steel at Hylsa Iron and Steel Engineer, April 997, s 27-3. [6] N.L.Samways Nucor Steel, Hickman-2.2 million ton/year flat rolled minimill Iron and Steel Engineer, April 994, s 77-84. 47