5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 9), 13-15 Mayıs 29, Karabük, Türkiye SOĞUKTA SERTLE EN KOMPOZİT PELET ÜRETİMİNDE BAĞLAYICI OLARAK JÖLE İLAVESİNİN ARA TIRILMASI INVESTİGATİON OF COLD HARDENED COMPOSİTE PELLET PRODUCTİON WİTH JELLY AS BİNDER ADDİTİON Y. E. BENKLİ a, M. BOYRAZLI b, R. ARTIR c, Z. ÇİZMECİOĞLU d a- Atatürk Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Erzurum, Türkiye, benkliy@gmail.com b- Fırat Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Elazığ, Türkiye, mboyrazli@firat.edu.tr c- Marmara Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Göztepe Kampüsü-Kadıköy, İstanbul, Türkiye, rartir@eng.marmara.edu.tr d- Yıldız Teknik Üniversitesi Kimya Metalurji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Davutpaşa, İstanbul -Türkiye, cizmeci@yildiz.edu.tr Özet Kompozit peletler,çeşitli bağlayıcı ve flaks kombinasyonları ile kok tozları ve demir cevheri konsantresi kullanılarak üretilip soğuk bağlanma teknikleri ile düşük sıcaklıklarda bağlayıcının fizikokimyasal değişikliğe uğramasıyla sertleştirilebilirler. Kok tozları ise peletin redüklenmesini sağlamaktadır. Bu çalışmada Divriği A kafa manyetit konsantresi ile bağlayıcı olarak önce sadece jöle kullanılarak peletler üretilmiş ve üretilen peletler 1,15,2,25 o C sıcaklıklarda 3,6,9,12 dakika süreyle sertleştirilme işlemine tabi tutularak peletlerin basma dayanımlarına bakılmıştır. Jölenin tek başına bağlayıcı olarak kullanıldığı çalışmalarda, 2 o C de 9 dakika kurutulan peletlerin basma dayanımı 353 N/Pelet olarak ölçülmüştür. %1 jölenin bağlayıcı olarak kullanıldığı deneylerde manyetit konsantresine %1, %2 ve %3 kok tozu, %1, %2, %3, %4 ve %5 oranlarında sönmüş kireç ilave edildiğinde en iyi bileşim %1 jöle, %1 kok tozu ve %2 sönmüş kireçle karıştırılarak üretilen kompozit peletlerin, 2 o C sıcaklıkta 6 dakika kurutulması sonucunda mukavemet değeri 11 N/Pelet olarak elde edilmiştir. Üretilen kompozit peletlerin gözeneklilik oranı %25-%31 arasında değiştiği gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Kompozit pelet, manyetit, jöle, soğuk bağlı pelet Abstract Composite pellets are produced as a combination of various binder, fluxes, coke powder and iron concentration and also hardened by cold bonded or warm bonded at relatively lower heat treatment temperature with physical and chemical reactions. Coke powders are added for the reduction of iron ore pellets. In this study, firstly iron ore pellets was produced by using magnetite concentrates of Divriği region s A Hill cite together with only jelly addition and then compression strength of iron ore pellets with jelly was measured which were dried for hardening/bonding at 1,15,2,25 o C for 3, 6, 9, 12 minutes. 353 N/pellet was measured as a compression strength for Jelly added samples which was dried at 2 C for 9 min. Spherical pellets produced by magnetite concentrates which were containing 1 % jelly binder together with 1-2 and 3 % coke powder and 1 up to 5 % Ca(OH) 2 additions. It was found that the best composition in terms of compression strength value (11 N/Pellet) results among all samples was containing 1 % jelly together with % 1 coke and 2 % Ca(OH) 2 additions which was dried at 2 C for 6 minutes. Porosity was also measured varying in the range of 25% - 31%. Keywords : Composite pellet, magnetite, the cold bonded pelet,jelly 1.Giriş Demir ve çeliğin üstün mekanik özellikleri ile vazgeçilmez malzeme olmasından dolayı demir-çelik sektörü gün geçtikçe gelişimini sürdürmektedir. Mevcut hammadde ve enerji kaynakları sektörün isteklerini karşılayamaz duruma gelmiştir. Günümüzde birçok ülkede demir çelik üretiminde mevcut hammadde ve enerji kaynaklarının daha olumlu kullanılması ve üretimin daha ekonomik olması için alternatif yeni teknolojiler üzerinde çalışmalar sürdürülmektedir [1]. Cevherden demir üretimi sırasında toz cevherlerin peletlenmesi ve bunu takiben peletlerin yüksek sıcaklıklarda pişirilerek dayanım değerlerinin arttırılması enerji kullanımının ve dolayısıyla da maliyetin artmasına neden olmaktadır [1]. Bu olumsuzluğu önlemek için geliştirilen proseslerden biri de toz cevherin çeşitli bağlayıcılar ve su yardımıyla peletlenmesi ve düşük sıcaklıklarda sadece kurutma işlemi yapılarak mukavemet kazandırılması yöntemidir. Klasik pelet üretim teknolojisinde en fazla kullanılan bağlayıcı türü bentonittir. Bentonitin bağlayıcı olarak kullanılması halinde, Direkt redüksiyon için hazırlanan peletlerde peletlerin redüksiyon şartlarının gerçekleştirilmesi için oksidasyon kavurmasına ya da ön ısıtmaya tabi tutulmaları gerekmektedir [2,3]. Organik kökenli bağlayıcılar bentonite nazaran hem ürünü kirletmezler hem de bentonitin, yüksek sıcaklıklarda yapılan işlemler neticesinde, pelete kazandırdığı özellikleri düşük sıcaklıklarda kazandırabilirler. Soğuk bağlı peletleme proseslerinde çimentolaşma reaksiyonu oda sıcaklıklarına yakın sıcaklıklarda ilerlediğinden en çok kullanılan bağlayıcı türü çimentolu bağlayıcılardır. Bu da hem gang mineral içeriğinin artmasına hem de SiO 2 ve Al 2O 3 gibi asidik oksitlerin ortama katılmasına neden olur [4]. Peletler % 4-6 portland çimentosu içeren bağlayıcı ile kullanıldığında 1-2 kg/pelet basma dayanımı elde edilebilir. Aynı zamanda yüzey alanları arttırılarak bağlayıcı gereksinimi yaklaşık %4 azaltılabilir [5]. IATS 9, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Ancak çimentolu bağlayıcılar ile yapılan peletleme işlemlerinde yaklaşık 28 günlük bir kürleme zamanına ihtiyaç duyulduğundan ekonomik olarak pek tercih edilmemektedir. Hidrate kireçtaşı suyla karıştırıldığında bir çimento içinde katılaşır, kuruma ve yeniden kristallenmeye izin verir. Silikasız bir son ürün oluşmasına katkıda bulunması, yüksek fırında pelet redüklendiğinde silika flaksının rolünü üstlenmesi ve pelet performansını geliştirmesi, kolayca elde edilebilir olması gibi birçok özelliğe sahip olması nedeniyle pelet üretiminde bağlayıcı olarak kullanımı için çok caziptir [2] 2. Deneysel Çalışmalar 2.1. Kullanılan Hammaddeler Deneylerde Tablo 1 de kimyasal analizi verilen Divriği A Kafa manyetiti konsantresi kullanılmıştır. Tablo 2 de ise deneylerde kullanılan kokun kimyasal analizi verilmiştir. Tablo 1. Deneylerde Kullanılan Manyetit Konsantresinin (pelet keki) Kimyasal Analizi. Element/ % Element/ Fe 68,5 Na 2O,4 SiO 2 2,2 K 2O,6 CaO,6 Pb,1 MgO,58 Cu,2 Al 2O 3,75 Zn,1 Mn,1 Ni,2 S,4 Tablo 2. Deneylerde Kullanılan Kokun Kimyasal Analizi Jöle Element/ % C 88,17 SiO 2 4,35 Al 2O 3 3,59 CaO,5 MgO,18 S 1,5 Fe,5 Nem 3,52 Bitkisel ürünlerden elde edilen yapışkan ve kıvam verici, soğuk suda şişen, sıcak suda çözünen ve soğuduğu zaman jelatinimsi ve homojen kütle halini alan ve genellikle tatsız olan ürünlerdir. Jölenin ana hammaddesi karengan adı verilen, deniz yosunlarından elde edilen sülfate edilmiş polisakkarit de denilen kompleks karbonhidratlardır ( ekil 2.1. kompleks karbonhidratların moleküler yapısının genel görünümü) Polisakkaritler genelde C x(h 2O) y simgesiyle formulize edilirler. Burada x, 2 ile 25 arasında bir sayıdır[6]. % ekil 2.1 Kompleks karbonhidratların moleküler yapısı [6]. Karragenan ın bağlayıcılık özelliği üretildiği yosun türü olan kırmızı algler içinde fotosentez sonucu meydana gelen asimile ürünü glikojen yapısında bir karbonhidrat olan Floride Nişastası dır [7]. 2.2.Deney Prosedürü Konsantre önce bağlayıcı ilave edilmeksizin, bir karıştırıcı içine konularak yaklaşık 5 dakika kadar karıştırılıp, topaklaşmaların oluşması önlendi. Daha sonra bağlayıcı, manyetit konsantresiyle birlikte aynı karıştırıcı içine konularak 2 dakika karıştırıldı. Bundan sonraki deneylerin tamamında ilave edilen bileşenler manyetit konsantresi ile aynı karıştırıcı içerisinde 2 dakika kadar karıştırılmıştır. Laboratuar ölçekli yatayla 45 o lik açı yapan kendi ekseni etrafında 35 devir/dakika hızla dönebilen Küresel Pelet tamburuna önce az miktar bağlayıcı ile harmanlanmış malzeme ilave edilerek pelet çekirdekleri oluşturuldu. Bu çekirdekler su püskürtülerek nemlendirildi ve malzeme ilavesine devam edilerek daha büyük peletler oluşturma işlemine başlandı. ekillendirilen peletler 12-14 mm boyutuna ulaşınca periyodik olarak tamburdan alındı ve test için ayrıldı. Bu işlem oluşturulmuş peletler 1-2 kg. oluncaya kadar devam ettirildi. Pelet üretimi aşamasında ilave edilen suyun pelet içindeki taneciklerin bağlanma mekanizmalarına etkisi büyüktür. Pelet özellikleri, peletlenen partiküllerin fiziksel karakteristiklerine, sıvı fazın yüzey gerilimine ve vizkositesine ve bağlayıcının bağ kuvvetine bağlıdır [8,9]. Aşırı miktarda su her bir peletin birbirine yapışmasına sebep olacak ve pelet makinesinden uzaklaştırılması zorlaşacaktır. Soğukta sertleşen küresel pelet üretimi için yapılan bu çalışmada %1-%15 oranında su ve 3 dakika pelet üretim süresi yeterli olmaktadır. Soğuk bağlı peletlerin hazırlanmasında organik bağlayıcı içeren yaş peletler kurutulmaları esnasında sertleştirilerek, kurutma ve pişirme safhaları bir arada yapılmaktadır. Yapılan bu çalışmada peletlerin kurutma işlemleri 25 o C a kadar çıkabilen bir etüvde yapılmıştır. Peletler üzerinde yaş çarpma ve kuru basma testleri yapılmış olup, verilerin doğruluğu açısından üretilen ham peletlerin tüm testleri en az 2 pelet üzerinde yapılmıştır. ekillendirilen peletlerin yaş dayanımları 45 cm. den çelik bir yüzey üzerine düşürülerek kırıldığı ana kadar tekrarlanmış, sadece jöle kullanılarak yapılan deneylerde yaş düşme sayısı 2-3 arasında olurken, kok ve sönmüş kireç ilave edilerek yapılan deneylerde ise yaş düşme sayısı 4 civarında olmuştur. Farklı sıcaklıklarda kurutulan peletlerin kuru basma dayanımları üniversal tip hidrolik çekme makinesinde iki çelik plaka arasına konulan peletin kırılıncaya kadar yük uygulanması şeklinde yapılmıştır.
2.3. Deney Sonuçları Pelet içindeki cevher partikülleri-bağlayıcı sistemin bir modelidir. Buradan bağlayıcı ve cevher partikülü arasında bir ara yüzey ve iki faz olduğu düşünülebilir. Böyle bir sistemde kuvvetler etkileşiminin 4 türünden bahsedilebilir. Moleküller arasındaki etkileşen kuvvetlerin toplamı olan bağlayıcı yapışma kuvveti, Cevher partiküllerinin kendi mekanik özelliklerinden kaynaklanan cevherin yapışma kuvveti, Cevher ve Bağlayıcı ara yüzeyindeki van der Waals, elektrostatik, manyetik, hidrojen bağı, kimyasal bağlanma ve viskoz kuvvetlerin toplamı olan yapıştırıcı kuvvet ve cevher partikülleri arasında etkileşen kuvvet. Yapılan çalışmalarda önce jöle %1, %1,5, %2, %2,5 ve %3 oranlarında kullanılarak peletlerin yüke karşı gösterecekleri mukavemet incelenmiştir ( ekil 2.2. (a), (b), (c) ve (d)). ekil 2.2. Manyetit konsantresi ile Farklı oranlarda jöle karıştırılarak üretilen peletlerin, 1, 15, 2, 25 o C Sıcaklıklarda (a) 3 Dakika, (b) 6 Dakika, (c) 9 Dakika ve (d)12 Dakika kurutulmaları sonucu basma dayanımlarındaki Jölenin tek başına kullanıldığı deneylerde peletlerin mukavemetleri, jöle miktarına bağlı olarak arttığı belirlenmiştir.. En uygun sonuçlar bağlayıcı olarak %2,5 jöle kullanılarak üretilen peletlerin 2 o C de 9 dakika kurutulmaları sonucu 353 N/Pelet olarak elde edilmiştir. Hem 2 o C de daha uzun bekletilen numunelerde hem de 2 o C nin üzerindeki sıcaklıkta ise basma dayanımında önemli oranlarda düşüş olduğu gözlenmiştir. Organik bir malzeme olan jöle, yüksek sıcaklıklarda bozunmaya uğramaktadır. Bu durum, daha önce organik malzemelerle yapılan çalışmalarla da paralellik arz etmektedir. Bu nedenle soğukta sertleşen pelet prosesinde en iyi mukavemeti elde edebilmek için jöle miktarı % 1 a çıkarılmış ve sıcaklığın artmasıyla yapıda görülen mukavemet düşmesinin önüne geçilebilmesi amacıyla kurutma sıcaklık değeri 2 o C alınmıştır. Cüruf yapıcı katkı malzemesi olarak Ca(OH) 2 ve redükleyici olarak kok ilavesinin yapılması ile kompozit pelet üretimi için deneyler tekrarlanmıştır. Kompozit pelet üretmek amacıyla pelet kekine sırasıyla %1, %2, %3, %4 ve %5 oranlarında Ca(OH) 2, redükleyici olarak %1,%2 ve %3 kok ilavesi yapılmıştır. Elde edilen ham peletler 2 o C kurutma sıcaklığında sırasıyla 6-12-18 dakika boyunca fırında kurutulmuştur. Daha sonra basma dayanımları ölçülmüştür.
Basm a Dayanım ı (N /Pelet) 12 1 8 6 4 2 6 Dak. 12 Dak. 18 Dak. 1 2 3 4 5 6 Ca(OH) 2 (%) ekil 2.3. %1 jöle, %1 kok tozu ve farklı oranlarda Ca(OH) 2 in manyetit konsantresi karıştırılarak üretilen kompozit peletlerin, 2 o C Sıcaklıkta 6, 12 ve 18 sıcaklığında 6, 12 ve 18 dakika kurutulmaları sonucu basma dayanımlarında en yüksek değer %1 Ca(OH) 2 in kullanıldığı ve 6 dakika kurutma süresinde 785 N/Pelet olarak elde edilmiştir. %2 Ca(OH) 2 in ilave edildiği deneyde ise 765 N/Pelet basma dayanımı elde edilmiştir ( ekil 2.4). Basm a Dayanım ı (N/Pelet) 12 1 8 6 4 2 6 Dak. 12 Dak. 18 Dak. 1 2 3 4 5 6 Ca(OH) 2 (%) %1 jöle, %1 kok tozu ve %1-5 arasında değişen oranlarda Ca(OH) 2 in manyetit konsantresi ile karıştırılarak üretilen kompozit peletlerin, 2 o C sıcaklıkta 6, 12 ve 18 dakika kurutulmaları sonucu en yüksek mukavemet değeri, %2 Ca(OH) 2 ilavesi yapılan ve 2 o C de 6 dakika bekletilen numunelerde, moleküller arasındaki etkileşen kuvvetlerin toplamı olan bağlayıcı yapışma kuvveti ve cevher partiküllerinin kendi mekanik özelliklerinden kaynaklanan yapışma kuvvetinin sonucu olarak 11 N/Pelet olarak ölçülmüştür ( ekil 2.3).Soğukta sertleştirilmiş pelet standartlarına göre bu yüksek bir değer sayılmaktadır. Basm a Dayanım ı (N /Pelet) 12 1 8 6 4 2 6 Dak. 12 Dak. 18 Dak. 1 2 3 4 5 6 Ca(OH) 2 (%) ekil 2.4. %1 jöle, %2 kok tozu ve farklı oranlarda Ca(OH) 2 in Manyetit konsantresi karıştırılarak üretilen kompozit peletlerin, 2 o C Sıcaklıkta 6, 12 ve 18 %1 jöle, %2 kok tozu ve yine %1-5 arasında değişen oranlarda Ca(OH) 2 in manyetit konsantresi ile karıştırılarak üretilen kompozit peletlerin aynı şekilde 2 o C kurutma ekil 2.5. %1 jöle, %3 kok tozu ve farklı oranlarda Ca(OH) 2 in manyetit konsantresi karıştırılarak üretilen kompozit peletlerin, 2 o C Sıcaklıkta 6,12 ve 18 ekil 2.5 de görüldüğü gibi,%1 oranında jöle ve %3 kok tozu sabit tutularak, %1-5 arasında değişen oranlarda Ca(OH) 2 in manyetit konsantresi ile karıştırılarak üretilen kompozit peletlerin aynı şekilde 2 o C kurutma sıcaklığında 6, 12 ve 18 dakika kurutulmaları sonucu basma dayanımlarında 726 N/Pelet mukavemet değeriyle %1 Ca(OH) 2 in kullanıldığı deneylerde elde edilmiştir. Artan Ca(OH) 2 oranı ile peletin mukavemetinde bir düşüş görülmektedir. Sönmüş kireç peletleme işlemi sırasında bünyesine aldığı suyu kurutma işleminde salıverdiğinden yapıda giderilen su moleküllerinin yerlerinde boşluklar oluşmakta ve bu nedenle peletin basma dayanımında düşüş görülmektedir. Mukavemetin azalmasındaki bir diğer etken de kok oranlarındaki artışa bağlı olarak tüm numunelerde kokun nem içeriğinden neden olduğu mukavemette bir azalma görülmektedir. Peletlerin kurutma süresi de mukavemetteki düşüşü açıklamamıza yardımcı olabilir. Tüm diyagramlardan görüldüğü gibi kurutma süreleri olan 6 dk-12dk -18 dk zamanlarında peletin fırında kaldığı süre ile mukavemetteki düşüş orantılıdır. Bu olay pelet içinde bağlayıcı olarak kullanılan jölenin bileşiminde bulunan organik maddelerin o sıcaklıkta belirli bir sürenin üzerinde bekletilmesi sonucu yapısının bozularak bağlayıcılık özelliğinin kaybolması olarak açıklanabilir. 3.Sonuç Divriği A kafa manyetit konsantresi ile bağlayıcı olarak önce sadece jöle kullanılarak soğukta sertleşen pelet üretilmeye çalışılmış, üretilen peletler 1,15,2,25 o C sıcaklıklarda 3,6,9,12 dakika süreyle sertleştirilme işlemine tabi tutularak peletlerin basma dayanımları araştırılmıştır. Jölenin tek başına bağlayıcı olarak kullanıldığı çalışmalarda, 2 o C de 9 dakika kurutulan
peletlerin basma dayanımı 353 N/Pelet olarak ölçülmüştür. %1 jölenin bağlayıcı olarak kullanıldığı deneylerde manyetit konsantresine %1, %2 ve %3 kok tozu, %1, %2, %3, %4 ve %5 oranlarında sönmüş kireç ilave edildiğinde en iyi mukavemet değeri %1 jöle, %1 kok tozu ve %2 sönmüş kireçle karıştırılarak üretilen kompozit peletlerin, 2 o C sıcaklıkta 6 dakika kurutulması sonucunda 11 N/Pelet olarak elde edilmiştir. Üretilen kompozit peletlerin gözeneklilik oranı genelde mukavemetle ters orantılı olarak değiştiği gözlenmiş ve ortalama %25-%31 arasında değiştiği tespit edilmiştir. Genel sonuç olarak jölenin manyetit konsantresinden üretilecek peletlerde soğuk / düşük sıcaklıkta bağlanmış pelet üretiminde kullanılabilecek uygun bir bağlayıcı olduğu görülmüştür. Kaynaklar [1] G. Qiu, T. Jiang, Characterization of Preparing Cold Bonded Pellets for Direct Reduction Using an Organic Binder, Iron and Steel Institute of Japan international, 23, vol. 43-1 [2] Eisele T. C. And Kawatra S. K. (23), A Review of Bınders in Iron Ore Pelletization, Mineral Processing & Extractive Metall. Rev., 24: 1-9, 23 [3] Kawatra S. K, Eisele T. C, Ripke S. J., vd. (1999), High-Carbon Fly-Ash as a Binder for Iron Ore Pellets, U.S. Department of Energy Federal Energy Technology Center Contractor Reports Receipt Coordinator, M/S F7 361 Collins Ferry Road P.O. Box 88 Morgantown, WV 2657-88 [4] Shigematsu, T., Ichidate M.Shiotani, C., Tozawa, Y.,(1989), Process For Producing Cold-Bond Iron for Use in a Blast Furnace United States Patent, Patent Number : 4 846 884, Jul, 11,1989 [4] Jayson S. R. and Kawatra S. K., (22), A Novel Application of High-Carbon Fly- Ash as an Industrial Binder For Presentation at the 22 Conference on Unburned Carbon in Utility Fly ash, Pittsburgh, PA [5] Dutta K. D., Bordoloi D., ve Borthakur P.C., (1997), Investigation on Reduction of Cement Binder in Cold Bonded Pelletization of Iron Ores Fines, International Journal of Mineral Processing, 49 (1997) 97-15 [6] http://en.wikipedia.org/wiki/polysaccharide [7] http://sci.ege.edu.tr/~sukatar/porphyra.htm [8] Boyrazlı, M.,(28), Demir Cevheri İçerisindeki Safsızlıkların Olumsuz Etkilerinin Giderilme Yollarının Araştırılması Doktora Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü [9] Benkli, Y.E.,,(28), Soğukta Sertleşen Kompozit Peletlerin Yarı Ergitme artlarında İndirgenmesinin Araştırılması Doktora Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü