1 2.1. ÇALIŞMA ALANLARI BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ Üretim Metalurjisi (Kimyasal Metalurji, Ektraktif Metalurji) Malzeme (Fiziksel Metalurji) Proses Metalurjisi 1
Cevherden metal üretimi konularını kapsayan alandır. Pirometalurji: Isı enerjisi ile üretim Hidrometalurji: Sulu ortamda üretim Elektrometalurji: Elektrik enerjisi ile üretim Üretim metalurjisi, gerek tabiatta mevcut cevherlerden, gerekse metal içeren hammaddelerden veya ikincil kaynaklardan (hurda, artıklar, v.s.) fiziksel ve kimyasal yöntemlerle saf metallerin veya alaşımların üretimi konularını kapsar. Üretim metalurjisinin amacı, Cevher hazırlama aşamasından başlayarak, pirometalurjik, hidrometalurjik ve elektrometalurjik yöntemler uygulamak suretiyle metalin cins ve özelliğine uygun işlemler seçmekte ve diğer endüstrilerde kullanılmaya elverişli ham metal ve saf metaller veya alaşımlar üretmektedir 4 2
5 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.1 Kurutma Kurutma Düşük sıcaklıklarda mekanik olarak karışmış rutubetin buharlaştırılması işlemidir. Kurutma işlemi ile mekanik olarak (kimyasal işlem söz konusu değil) cevher veya konsantredeki nem uzaklaştırılır. Genellikle yatay fırınlarla ve akışkan yataklı kurutucularla sağlanır. Suyun kaynama noktasının üstündeki bir sıcaklıkta atmosfer basıncında ısıtılarak yapılır. Nemli örnek -> tartım -> kurutma -> tartım (ağırlık kaybı elde edilir, %Nem : Ağırlık kaybı/ilk ağırlık * 100 ) 3
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.2 Kalsinasyon Kalsinasyon: Kalsinasyon, bir bileşiğin sıcaklık tesiriyle parçalanmasıdır. Pirometalurjik proseslerde özellikle karbonat ve hidratların kalsinasyonuyla her an karşılaşmak mümkündür. 100 derecenin üstündeki sıcaklıklarda kimyasal bileşimdeki kristal suyu buharlaştırılır. Karbonatlardaki CO2 gazı bünyeden uzaklaştırılır. Kireç taşı (CaCO 3 ), magnezit (MgCO 3 ) ve dolomit (xcaco 3.yMgCO 3 ) gibi toprak alkali karbonatlar özellikle üretim metalurjisinde temel curuf yapıcı ve refrakter hammaddesi olarak yaygın kullanım alanı bulurlar. Bu bileşikler prosese katılmadan önce ya işlem sırasında mutlaka bir kalsiasyona tabi tutulurlar. Kireç taşının kalsinasyonu endüstriyel uygulamada değişik fırınlarda yapılmaktadır. İri parçalı kireç taşı için düşey fırınlar, ince taneli malzeme için döner fırınlar kullanılmaktadır. Düzgün tane dağılımı gösteren ince boyutlu kireç taşı akışkan yatak tipi fırınlarda kalsine edilebilir. Kalsinasyon fırınları katı, sıvı ve gaz yakıtların tümüyle ısıtılabilmektedir. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.3 Kavurma Kavurma: Cevherin tabi halde içerdiği sülfür minerallerinin sonraki işleme uygun hale getirilmesi amacı ile uygun sıcaklıklarda (cevher içindeki metal sülfürlerin erimemesi şartı ile) ısıtılması işlemidir. Oksit Kavurması Sülfür minerallerinin daha sonra asit içinde çözünmeleri veya manyetik özellik temini için uygulanır. Redüksiyon Kavurması Oksit metal bileşimlerinin, H2, C veya metal sülfürlerle birlikte ergime sıcaklıkları altında bir sıcaklıkta ısıtılması ile oksit miktarının azaltması için uygulanır. Sülfatlaştırma Kavurması Kavurma gazlarındaki O2 ve SO2 miktarlarının belirli seviyeler dahiline tutulması işlemidir. Klorürleştirme Kavurması Tabii tuz ile birlikte bazı metal minerallerinin kavrulması ile buharlaşan metal klorürlerinin meydana gelmesidir. 4
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.4 Distilasyon Distilasyon: Homojen bir sıvı karışımının buharlaştırılması sonucu teşekkül eden ve buhar fazında birden fazla bileşene sahip olan karışımın, bir veya daha fazla bileşeninin saf halde elde edilmesi istenen operasyonlar için kullanılır. Distilasyon işlemi sıvı kaynatılarak yapılır. Daha uçucu özellikte olan, yani kaynama noktası düşük olan sıvı daha önce buhar fazına geçer. Sıvı karışımı ile dengede olan buhar fazının bileşimi sıvı fazdan farklıdır. Buhar fazı uçucu bileşen bakımından daha zengindir. Bu buhar yoğunlaştırılacak olursa, daha uçucu bileşen bakımından zengin sıvı elde edilir. Distilasyon işlemi bu temel ilkeye dayanır. Distilasyon, metallerin buharlaşma noktalarının yüksek olması sebebi ile cevherden ayrılması işlemidir. Sinober (HgS) den civa üretimi 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.5 Sinterleme Sinterleme: Genellikle yüksek ergime sıcaklığına sahip malzemelerin üretiminde uygulanan bir ısıl işlemdir. Toz metalurjisinde ve seramik üretim teknolojisinde -istisnalar hariç- üretim yöntemi ne olursa olsun yer alan sinterleme, malzemenin ergime sıcaklığına çıkmadan daha düşük sıcaklıklarda yoğunlaştırılmasını, mekanik, fiziksel, ısıl vb. özelliklerinin geliştirilmesini veya yükseltilmesini sağlayan bir prosestir. Toz cevherlerin aglomerasyon yolu ile yüksek fırın için istenen parça iriliğine, mukavemete ve gaz geçirgenliğine sahip duruma getirilmesi için sinterleme işlemi kullanılır. Sinterleme, pudra kütlesi içindeki partiküllerin atomlarının, ısının etkisi sonucu oluşan çekimle birbirine bağlanması olarak da tanımlanabilir. Sinterleşme genellikle pudra kıvamındaki malzemelerin erime noktalarının altında meydana gelir. Sıcaklığın artması ile pudra kütlesinin sertliği artarken elektriksel direnci ve gözenekliliği azalır. Tane yapısında bazı değişiklikler olur ve yeniden kristallenme ile tane büyümesi meydana gelir Sinterleme yüksek sıcaklıklarda küçük cevher parçacıkların birbirine bağlanarak yüzeylerinin büyütülmesi işlemidir. 5
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) Ergitme: Yüksek sıcaklıklarda yüksek tenörlü cevher veya konsantreden yarı rafine halde metal ve curuf elde edilir. Metal oksitlerin ergitme işleminde metal oksit kok ile redüklenir. Redükleyici ergitme çoğunlukla yüksek fırında ve bazen reverber veya elektrik ark fırınlarında iri cevher kok ve katkı maddeleri ile yapılır. Mat ergitmesi her zaman reverber fırınlarda toz cevher ve katkı maddesi ile yapılır. İzabe, 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 cüruf denilen atık camsı silikat fazında toplanması işlemidir. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) İZABE (ERGİTME) KONVERTER İŞEMİ ATEŞLE TASFİYE (ARILAŞTIRMA) 6
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Reaksiyonları İzabe Reaksiyonları Ergime (Sıvılaşma) Reaksiyonu Yakıtın Yanması ve Diğer Oksitlenme Reaksiyonları Kalsinasyon (Parçalanma) Reaksiyonu İndirgenme Reaksiyonu Cüruf Oluşumu Reaksiyonu Çözünme Reaksiyonu 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Çeşitleri İzabe işlemi, pirometalurjide kavurmadan sonra, metalin elde edilmesi için gerekli olan reaksiyonların meydana gelmesini sağlar. İki şekilde uygulanabilir. Reaksiyonsuz ergitme: Ortama herhangi bir katkı malzemesi ilave etmeden elde edilen metallerin ticari şekillerini alabilmelerini sağlamak amacıyla yapılırlar. Reaksiyonlu ergitme: Dört gruba ayrılmaktadır. Cüruf oluşturarak yapılan ergitme, Oksitleştirici ergitme, Piritik ergitme Redüksiyonlu ergitme 7
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Çeşitleri 1. Cüruf Oluşturarak Yapılan Ergitme (Reaksiyonlu Ergitme) İşlem, ürüne, cüruf oluşturucular (kireçtaşı dolomit gibi) ilave edilerek ürün içinde elde edilmesi amaçlanan metal dışı kısımları cürufta toplamak ve böylece cürufla beraber metali elde etme esasına dayanmaktadır. Redüksiyonlu ergitme işlemi içinde de kabul edilebilir. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Çeşitleri 2. Oksitleştirici Ergitme (Reaksiyonlu Ergitme) Ergitme esnasında oksitleştirici etmenler (hava, bazı oksit bileşenleri, sülfat ve nitratlar gibi) etkisiyle ayrılacak metal dışı kısımları oksitleyerek ayırım gerçekleştirilir. Oksitleştirici ergitme daha çok bir rafinasyon işlemine girmektedir. 8
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Çeşitleri 3. Piritik Ergitme (Reaksiyonlu Ergitme) Özellikle bakır metalurjisinde uygulama şansı bulan piritik ergitmede, ilk ateşleme ile reaksiyonlar için yeterli ısı meydana gelmekte, verilen havayla cüruf oluşturucu maddeler vasıtasıyla da hem kavurma işlemi, hem de ergitme işlemleri müşterek olarak yapılmaktadır. Bu tip işlemler için fazla miktarda pirit içeren bakır cevherleri gerekmektedir. Piritik ergitme uygulama bakımından sınırlıdır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Çeşitleri 4. Redüksiyonlu Ergitme (Reaksiyonlu Ergitme) Önemli metallerin çoğu, oksitleri halinde bulunduklarından dolayı (demir, mangan, krom ve kalay gibi) ayrıca yine büyük kısmı Metalurjik işlemler sonucu sülfürlü durumlarından oksitli durumlarına geçtiklerinden redüksiyonlu ergitme diğer ergitme yöntemlerine nazaran daha çok uygulama alanı bulmuştur. Bu nedenle üzerinde daha fazla durulması gereken bir yöntemdir. Cüruf oluşturarak yapılan ergitme işlemi redüksiyonlu ergitme işlemi içinde de kabul edilebilir. Çünkü redüksiyonlu ergitmede de cüruf oluşturmak önemli bir yer oluşturur. Hatta işlem redüksiyon sıcaklığına değil, cürufun erime sıcaklığına göre ayarlanmaktadır. 9
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları ERGİTME FIRINLARI Cevher, konsantre, kalsine veya sinterden meydana gelen metalik ham maddelerin ergitilmesinde, söz konusu maddeye ve ergitme işlemine aşağıda sıralanan fırınlardan en uygun düşeni kullanılmaktadır. 1.Düşey (Yüksek) Fırın 2.Reverber fırınları 3. Muf (Retort) fırınları 4. Pota fırınları 5. Rotary fırınlar 6. Elektrik fırınları Direnç fırınları Ark Fırını Endüksiyon Fırınları 7.Püskürtmeli Ergitme Fırını 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın 1. Düşey (Yüksek) Fırın Düşey fırınlar, en çok kullanılan fırın tiplerinden biri olup, üstten şarj edilip, alttan boşaltılırlar. Hava (veya diğer gazlar) fırın tabanına yakın yerden, alttan fırına üflenip, şarj kitlesi arasından yukarı doğru yükselir. Fırına şarj edilen katı maddeler, fırını terk eden gazlar tarafından sürüklenmeyecek ölçüde iri parçalı olmalıdırlar. 10
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Yukarıdan inen katı şarj maddesi ile yukarıya yükselen gazlar arasında kimyasal reaksiyonlar olmaktadır. Fırına yakıt verildiğinde, o da şarj ile birlikte üstten doldurulur. Düşey fırınlarda yakıt olarak kok kullanılır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Fırının gövdesi kalın çelik saçtan yapılıp, içi tamamen şamot tipindeki refrakter tuğla ile örülmüştür. Hazne ve taban kısmında kullanılan refrakter tuğlalar, en iyi kalite şamot cinsindendir. Bu tuğlaların; sıkı yapılı, sert ve üstün vasıflı olması gerekmektedir. Bazı işletmelerde şamot tuğla yerine karbon bloklar kullanılır. 11
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Refrakter tuğlaların fırın içindeki kalınlıkları; Gövde kısmında 90-150 cm, Karın (Bosh) kısmında 75 cm. dir Gövde kısmının yukarılarında refrakter tuğla tabakaları arasına yatay olarak çelik aşınma plâkaları yerleştirilmiştir. Ayrıca karın kısmında içi boş soğutma plâkaları vardır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın 12
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın 13
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Fırına verilen şarj, fırının iç boşluğunu tamamen doldurur. Şarj yavaş yavaş aşağı indikçe meydana gelen üstteki boşluğa yeni şarj maddesi verilir. Fırına verilen şarj maddelerinin tane büyüklükleri ne fırının tıkanmasına sebebiyet verecek şekilde ince, ne de gazların gerekli reaksiyonları yapmaya yeterli zaman süresince fırında kalmadan hızla fırından çıkmasına sebebiyet verecek şekilde iri olmalıdır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Genellikle fırının en sıcak olan kısmı, hava borularının (Tüyer) bulunduğu düzeyin biraz yukarısına rastlar. Bu bölgeye Ergitme Zonu denir. Böylece yüksek sıcaklıktaki gazlar, fırın içinde yükselirken bir yandan istenen reaksiyonları yapar ve bir yandan da aşağıya doğru inen soğuk şarjın gittikçe ısınmasını sağlamış olur. Bu bakımdan düşey fırınların termik randımanları yüksektir. Düşey fırınlara en iyi örneği, demir ve çelik ergitme tesislerinde kullanılan yüksek fırın teşkil eder. 14
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Demir dışı metallerin üretiminde de düşey fırınlar kullanılmaktadır. Bakır, kurşun, çinko, nikel cevherlerinin ergitilmesinde 5-6 metre yükseklikte düşey fırınlar kullanılırlar. Düşey fırınlar, oksitleyici veya redükleyici gaz ortamlarında çalıştırılırlar. Örneğin; oksit cevherlerin ergitilmesinde fazla miktarda kok kullanmak suretiyle fırın içinde yeteri kadar redüktif bir gaz ortamı sağlanmaktadır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Oksit demir, kurşun, bakır ve çinko cevherlerinin ergitilmesinde redüktif bir gaz ortamı temin edilir. Bazı hallerde, Örneğin; piritli sülfür bakır cevherlerinin «piritik» veya «yarı piritik metotlarla ergitilmesinde oksidan bir gaz ortamı sağlanır ki, pirit ve bakır sülfürler kolayca okside olabilsinler. Bu gibi hallerde, yakıta yeterinden daha fazla hava kullanılır. Düşey fırınların Tüyer mıntıkası daima su ile soğutulan ceketlerle yapılır. 15
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Fırın içindeki metalurjik kok sıcak hava ile yakılır ve meydana CO 2 çıkar. Bu CO 2 yüksek sıcaklıklarda C ile yeniden bir reaksiyona girerek CO oluşturur. Doymamış bir bağlantı olan CO yanıcıdır ve oksijenle birleşme eğilimindedir. Bu nedenle de çok iyi bir redükleyici ortamdır. Değişik sıcaklık basamaklarında kademeli olarak redüksiyonları meydana getirir. Bu arada fırın içerisine giren azotun hiçbir reaksiyonda rolü yoktur. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın 16
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Fırının alt çevresinde homojen aralıklarla dizilmiş hava delikleri vardır ve hava homojen olarak sisteme verilir. Hava çemberinde yanma başlar. Alev çemberi, fırın içinde çok önemlidir. Hava; gazlar yukarı çıkarken alevde yukarı doğru olacağından basınçlı olarak verilmelidir. Alev sıcaklığının çok yükselmesi, bu bölgedeki refrakterlerin dayanıklı olmasını gerektirir. Bu nedenle tüyerlerden üflenen havanın içine tüyer ağzından su püskürtülür. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Tüyerlerin ağzında oluşan alevin sıcaklığı 1300 C'ye kadar çıkabilir. Tüyerler sıcak hava sobalarında ısıtılan havayı fırının içerisine üflemek için kullanılırlar. Tüyerler bakır ya da bronzdan yapılmışlardır. Erken aşınmasını ve çabuk devreden çıkmasını önlemek için soğutma suyu sistemine sahiptirler ve çift kanallıdırlar. 17
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Fırın içerisinde yanmayı sağlayan hava, kok tasarrufunda bulunmak ve fırın içi sıcaklığını düşürmemek amacıyla sobalarda ısıtılarak fırın içerisine gönderilir. Yüksek fırına yukarıdan kok şarj edilir. Hava Alev C +O 2 + 3,76 N 2 => CO 2 + 3,76 N 2 Bu reaksiyon -3400 cal veren ekzotermik (ısı veren) bir reaksiyondur. Bu reaksiyon sonucu bir alev meydana gelir (1600-1700 C) 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın 250-600 C -Rutubetin ayrışması -Kritsal "suyu ve mekanik suyun (bileşik halindeki) ayrılması. 600-900 C Kireçtaşının.parçalanması (ayrışması) Demir cevherinin indirekt olarak indirgeme bölgesi. Bu bölgede indirgeme başlar ve demir yabancı maddelerden ayrılır 900-1200 C -Demir cevherinin direkt olarak indirgemesi. İndirgeme hemen hemen tamamlanır. Cevher önce süngerleşir sonra sıvılaşır. Demir ve cüruf hazneye damla damla akmaya başlar. 1200-1500 C Boudouard reaksiyonu 1500-1800 C Erimiş metal ve akıcı cüruf meydana gelişi (Demir ve cüruf birbirinden ayrılır ve daha hafif olan cüruf demirin üzerinde yüzer.) - Yanma zonu ve erime bölgesi. 18
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Yüksek Fırından cüruf denilen atık camsı silikat bir faz, pik demir denilen metalik faz ve baca gazları alınır. Elde edilen pik demirde, Si, P vb. empüritelerin yanısıra Mn, Mg, C gibi elementler de vardır. Pik demirdeki manganın fazla olması demirin karbonla Fe 3 C (sementit) şeklinde bileşik yapmasını kolaylaştırır ve elde edilen pik demirdeki sementit fazından dolayı beyaz renktedir. Bu tür pik demir çelik üretiminde kullanılır. 37 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Eğer mangan yerine pik demirde silisyum daha fazla bulunuyorsa silisyum pik demirin soğumasını yavaşlatacak ve pik demirdeki karbonun serbest halde yani grafit halde bulunmasını sağlar. Bu durumda grafitin renginden dolayı elde edilen pik demir esmer renkte olacaktır ve esmer pikdemir olarak isimlendirilir. Bu tür pik demir daha çok dökme demir parçaların üretiminde tüketilmektedir. Beyaz pik demir sert ve aşınmaya dayanıklı buna karşılık esmer pik demir yumuşak ve kırılgandır. 38 19
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Türkiye'de birincil kaynaklardan üretimi yapılan başlıca metal ve alaşımlar; demir-çelik, alüminyum, bakır, çinko, kurşun, civa, kadmiyum, ferrokrom, antimon, gümüş'tür. Bir ülkenin sanayileşmesinde, demir çelik sanayinin önemi tartışma götürmez bir gerçek olup günümüzde ülkelerin uluslar arası gelişmişlik düzeyi, kişi başına düşen demir-çelik üretim miktarıyla ölçülür hale gelmiştir. Son yıllarda Türkiye'de bu alanda olumlu atılımlar yapılmaktadır. İskenderun Demir Çelik Fabrikası (İSDEMİR) 39 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın 40 20
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın Türkiye'de 8 adet yüksek fırın bulunur. Yüksek fırınlara üretimlerinin artması için kadın isimleri verilir. İskenderun Demir-Çelik Fabrikasında Cemile, Ayfer, Gönül isimlerinde 3 adet, Ereğli Demir-Çelik Fabrikası'nda Ayşe ve Zübeyde olmak üzere 2 adet, Karabük Demir-Çelik Fabrikası'nda Fatma (1939 Türkiye'nin ilk Yüksek Fırını), Zeynep (1950) ve Ülkü (1962) olmak üzere 3 adet ve toplam 8 adet yüksek fırın mevcuttur. Gönül isimli yüksek fırın 41 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 1. Düşey (Yüksek) Fırın İsdemir 4. Yüksek Fırın projesini bir Çin firmasına vermiş ve inşaatını başlatmıştır. Erdemir 2007 Ayşe'nin yerini alacak yeni bir yüksek fırın yapımına başlamış olup. Fırın 2008 de devreye girmiştir Bu fırının en önemli özelliği mühendislik, imalat ve montajının tamamen yerli imkânlarla yapılmış olmasıdır. Türkiye deki ilk şarj konveyörü beslemeli Yüksek Fırınıdır. Kardemir 4. Yüksek Fırın projesine 2007 Ocak ayında başlamış olup bir Çin firması ile ortak yürüttüğü bu projeyi 2008 Şubat ayında bitirmiştir. Cevherden üretim yapmanın bir metodu olan Yüksek Fırın prosesi, maliyetleri düşürerek daha ucuza çelik elde etmeyi mümkün kılmaktadır. Yüksek fırın adetlerinin artması durumunda çelik fiyatları düşeceğinden ülke sanayisinin rekabet gücü artar. 42 21
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları 2. Reverber fırınları: Yatay fırınlar olup, değişik boyutta ve birçok metalürjik işlemde kullanılmaktadır. Bunların en önemlileri; (1) Çelik üretiminde kullanılan Siemens - Martin (2) Sülfür bakır konsantrelerinin ergitilmesinde kullanılan büyük reverber fırınlardır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Reverber fırını, daha ziyade bir eritme fırınıdır. Derin bir taban kısmı, yan duvarları, ön ve arka duvarı ve tavandan meydana gelmektedir. Fırın dik dörtgen bir prizma şeklindedir. Ön duvara yerleştirilmiş brülörler vasıtasıyla ısıtılırlar. 22
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Uzun alevli yakıtlar (gaz, akar yakıt veya pulverize kömür) kullanılıp, alevlerin şarj edilmiş olan malzemeye temas etmesi arzu edilir. Tavan, alevlerin sağladığı ısı ile ısınmakta ve radyasyon yoluyla şarjı ısıtmaktadır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Gazlarla sürüklenen tozlar, tavanın aşınmasına sebep olurlar. Tavanın yapıldığı refrakter malzeme, bu tozların kolayca reaksiyon yapabileceği kimyasal yapıda ise, tavanın aşınıp tahribata uğraması çabuk olur. Bu nedenle tozların asit veya bazik karakterde oluşuna göre, tavanda kullanılacak refrakter tuğlaların da eşit karakterde, asit veya bazik olmasına dikkat edilir. 23
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Yakıt veya yanma ürünleri ile fırın içindeki şarj arasında çok az reaksiyon olur. Yakıt, fırına gerekli ısıyı sağlamak amacıyla kullanılır ve temin ettiği ısı, daha çok radyasyon yoluyla şarja geçer. Buna karşılık düşey fırınlarda yakıtın yanmasıyla elde edilen redüktif gazlar ekseriya şarj malzemesi ile reaksiyon yapar. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Reverber fırınından çıkan gazların sıcaklığı genellikle çok yüksek olduğundan dolayı reverber fırınlarının termik randımanları çok düşüktür. Bu gazların yüksek ısılarından faydalanmak için buhar üretmek üzere gaz kazanlarına sevk edilirler. Fırının termik randımanını arttırmak amacıyla yan duvarlar ve tavanın ısıyı iletmeyen (örneğin asbest) malzeme ile kaplandığına rastlanmaktadır. 24
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları 25
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Reverber Fırınını diğer fırınlardan ayıran en önemli özellik yakıtın şarj içinde değil özellikle şarj dışında yanmasıdır. Bu fırında nötr veya hafif oksitleyici atmosferle çalışılır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Flotasyonla zenginleştirilen bakır konsantrelerinden konvansiyonel izabe yöntemleri kullanılarak ya reverber ergitmesi + konvertör, ya da flaş ergitmesi + konvertör sistemi şeklinde yapılmaktadır. Reverber fırınlarında amaç, yüksek tenörlü mat elde etmekten ziyade bütün bakır konsantresini bünyesinde toplayabilmektir. 26
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Sıcak konsantreler gerekli cüruf yapıcılarla fırına şarj edilir, kısa sürede ergime zonuna yayılır, ergime sonucu bakır matı oluşur, gang ürünleri ise silikat cürufuna dönüşür. Fırına flotasyondan direkt olarak veya kavurmadan elde edilen bakır konsantresi ile birlikte cüruf oluşturucular ilave edilerek bakır matı oluşturulur. Curuf yapıcı olarak (CaCO 3 ) ve (SiO 2 ) kullanılmaktadır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Reverber fırınlarında bu tepkimelere göre mat, cüruf, ve gaz olmak üzere üç ayrı ürün elde edilir. Bakır oksitler sülfür haline geçmekte ve demirin bir kısmı da cürufa geçmektedir. Şarj malzemesinde bakır oksitler yoksa, bakır sülfürler cürufta fazlaca çözünmediğinden, cürufa geçen bakır miktarı azalır. Reverber fırınına giren şarj malzemesinin içerdiği kükürt miktarı oluşacak matın tenörünü belirler. Elde edilen mat en çok % 35 45 oranında bakır içermektedir 27
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları Bakır cevherinin izabe ürünü MAT adı verilen ergimiş sıvı demir ve bakır sülfür çözeltisidir. Mat Bileşimi : X FeS, y Cu 2 S Mat Derecesi : Mat içerisindeki % Cu Endüstriyel mat derecesi % 20-70 Cu dır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları 28
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 2. Reverber fırınları 29
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 3. Muf (Retort) fırınları 3. Muf (Retort) fırınları : Bu tip fırınlar, şarjın alev veya hava ile temas etmemesi istendiği hallerde kullanılırlar. Şarjın ısınması, endirekt ısıtma ile sağlanır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 3. Muf (Retort) fırınları Yakıtın yanması sonucu elde edilen alevler şarjın içinde bulunduğu refrakter muf (retort) fırınını dıştan ısıtır ve ısı yavaş yavaş retort'un içindeki şarja geçmiş olur. Genellikle bu tip fırınların termik randımanları düşüktür. Termik randımanı arttırmak amacıyla muf yapımında kullanılan refrakter malzemenin ısı iletkenliğinin yüksek olması istenir. 30
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 3. Muf (Retort) fırınları Pirometalürjik metotlarla çinko, kadmiyum ve cıva üretilmesinde muf tipi fırınlar kullanılırlar. Yakıt olarak kok başta olmak üzere gaz, sıvı yakıtlar ve pulverize kömür kullanılabilmektedir. Aşağıdaki Şekil, pirometalürjik metotlarla çinko üretiminde kullanılan muf fırınlarına ait bir kesiti göstermektedir. Bu tip fırınlara, destilasyon fırınları da denmektedir. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 3. Muf (Retort) fırınları 31
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 3. Muf (Retort) fırınları Çinko Retort Damıtma Fırını 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 3. Muf (Retort) fırınları Muffle Fırını ve Yoğunlaştırıcı 32
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 4. Pota Fırınları 4. Pota Fırınları Pota fırınları da bir çeşit retort fırını olarak düşünülebilir. Ancak tamamen kapalı olmadıkları için onlardan farklıdırlar. Potalar kullanılacağı yere göre değişik ölçülerde ve ısı iletkenliği yüksek olan grafitten yapılırlar. Grafiti yalnız kullanarak sağlam bir pota yapılması zor olduğu için, ekseriya değişik miktarlarda kil (bağlayıcı) ile birlikte pota yapılır. Kil miktarı arttıkça Potanın kalitesi de düşer. Bu da yapılan potanın ısı iletkenliğinin, kilin artmasıyla azalmasından ileri gelmektedir. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 4. Pota Fırınları Isı iletkenliği, oldukça yüksek olan bir refrakter madde olan Silisyum Karbür de pota imalinde çok kullanılmaktadır. Silisyum karbürden yapılan potalar daha sağlam ve ısı iletkenlikleri de grafit potalardan daha yüksektir. 33
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 4. Pota Fırınları Pota fırınları çoğunlukla döküm işlerinde kullanılır ve ufak dökümhanelerin en çok tercih edilen bir fırın tipidir. Pota fırınları her çeşit yakıt ile ısıtılmakla beraber daha ziyade akar yakıtlar ve ucuz temin edildiği zaman gaz yakıtlar kullanılmaktadır. Bu tip fırınların diğer bir avantajı da; çabuk ısıtılıp, kısa zamanda döküm yapılabilmesidir. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 4. Pota Fırınları 34
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 4. Pota Fırınları 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 4. Pota Fırınları 35
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 5. Rotary Fırınlar 5. Rotary fırınlar : Silindirik şekilli fırınlardır, boyları ve çapları; yapılacak metalürjik işlemin cinsine göre farklıdır. Çelik gövdenin içi ateşe dayanıklı refrakter tuğla ile örülür. Yakıt, fırının alt ucundan yakılıp, gazlar fırını üst uçtan terk eder. Rotary fırınları da kurutma, kalsinasyon ve destilasyon maksadıyla kullanılırlar. Civanın ergitilmesinde kullanılan bir rotary fırın aşağıda verilmiştir. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 5. Rotary Fırınlar 36
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 5. Rotary Fırınlar 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 5. Rotary Fırınlar 37
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 5. Rotary Fırınlar 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 6. Elektrik fırınları : Elektrik fırınları, demir veya demir dışı metallerin ergitilmesinde kullanılışlarında prensip bakımından hiçbir fark göstermezler. Elektrik fırınları başlıca iki görev yaparlar; Enerji cihazı olarak, reaksiyonların istenen şekilde gelişmesini temin etmek, İstenen özelliği temin etmek amacıyla bir karışım, sıvı ve gaz haline getirildiği gibi, istenen durumlarda da muhafazaya yaramakta ve söz konusu malzemenin mekanik olarak kontrol edilebilmesini mümkün kılmaktır. 38
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 39
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Elektrik Fırınlarının sınıflandırılması: Elektrolitik uygulama hariç tutulmak suretiyle, endüstride hemen her zaman alternatif akım fırınları kullanılır.. Alışılmış bir sınıflandırmaya göre fırınlar 3 gruba ayrılırlar: Direnç fırınları, Ark fırınları, Endüksiyon fırınları. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları A. Direnç fırınları: Bu fırınlar iki tiptir; (1) elektrik akımı, yüksek amperaj ile eriyecek maddeden geçer ve bu maddenin gösterdiği direnç sonucu meydana gelen ısının etkisiyle erime olur. (2) akımın geçtiği özel bir direnç maddesi kullanılır ve o ısıtılmış olur. Bu direnç maddesi, direkt radyasyon ile ısısını şarja vermiş olur. 40
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 41
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 42
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları B. Ark Fırını : Ark fırınında, fırının iç boşluğunda ark meydana getirilir. Bu ark ya sadece radyasyon yoluyla veya radyasyon ve kondüksiyon yoluyla ısısını banyoya geçirir. Ark, iki elektrot arasında veya şarj ile temas ettirilerek veyahut da bir elektrot ile şarjın temas ettirilmesiyle oluşturulur. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Şarjın elektrot olarak kullanıldığı haller de mevcuttur. Bazen de elektrot şarjın içine gömülüdür ve böylece daldırılmış ark husule gelir. Bu her iki özel halde de sonuç olarak küçük arklar çoğaltılmakta ve elektrot parçaları ve şarjın direkt direnci sonucu ısı meydana getirilmektedir. 43
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Tek Elektrotlu Doğru Akımlı Elektrik Ark Ocağı 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Üç Elektrotlu Alternatif Akımlı Elektrik Ark Ocağı 44
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Büyük Kapasiteli Elektrik Ark Ocağı 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Elektrik Ark Ocağı Isı iki ya da üç elektrotun açıkta arkı ile sağlanır ve radyasyon yolu ile malzeme ergitilir 45
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Elektrik Ark Ocağı Ark, elektrotla şarj malzemesi arasında teşekkül eder 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Elektrik Ark Ocağı Elektrot uçları şarj içerisine gömülüdür. Bu tipe kapalı ark ergitme de denir. İki elektrot arasında bulunan malzeme, elektrik iletici durumundadır. Isı enerjisi, ark ve malzeme direnci tarafından meydana gelir 46
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Elektrik Ark Ocağı Küçük ark ocakları genellikle döner tabanlı (tambur) fırın olarak yapılırlar. Elektrotlar fırın yan cidarlarına yerleştirilmiştir ve tek fazlı olarak çalışmaktadır. Elektrotların mesafe ayarı elle yapılmaktadır. Şarj malzemesi c kapağından doldurulur, ergiyik boşaltılması a deliğinden yapılır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Elektrik Ark Ocağı Büyük kapasiteli ark ergitme fırınlarında elektrotlar genellikle tavanda asılıdır ve elektrotlar ile şarj malzemesi arasında direk ark teşekkül eder. Şekilde kesit olarak görülen büyük kapasiteli fırında yükleme ve boşaltma karşılıklı olarak yan cidarlardan yapılmaktadır. Böyle bir ocakta şarj kapasitesi 200 ton ve transformatör bağlantı değeri 800 MVA kadardır. 47
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Genellikle fırın gövdesinin ön tarafında bir kapı bulunur ve bir tür yedek giriş olarak kullanılır. Gerektiğinde fırına oksijen üflenmesi, cüruflaştırıcı ya da alaşım elemanları ilave edilmesi, numune alınması ya da görsel denemelerin yapılması bu kapıdan gerçekleştirilir. Fırın kapısı ve çerçevesi, su soğutma panelli olarak, genellikle dökme demir malzemeden yapılır, Kapı hareket mekanizması, pnömatik, hidrolik ya da elektromekanik sistemde olabilir 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları C. Endüksiyon Fırınları : Endüksiyon fırını esas itibariyle bir transformatör gibi çalışmaktadır. Bundan dolayı iletken olmayan maddeler ısıtılacağı zaman, potanın iletken olması gerekir. Yüksek frekanslı endüksiyon fırını, demir dışı metallerin eritilmesinde büyük ölçüde kullanılmaktadır. Sargı, transformatörün primerini teşkil eder. Sekonder de şarjın kendisi olup, tek sargılı ve kendi üzerine kısa devre yapmış bir bobin olarak kabul edilebilir. 48
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Bu tip fırının randımanı; Akımın iletkenin iç tabakalarına tesir edebilmesi için geçen zamana, şarjın direncine, nüfuz edebilme derecesine ve fizik şartlarına, uygulanan ısı izolasyonuna, akımın şarj yüzeyi üzerinde konsantre edilebilmesine bağlıdır. Frekans yeterli derecede yüksek olursa, iletkenin merkezinden hemen hemen hiç akım geçmez. İletkenin merkezinin hiçbir rolü yoktur. Primer sargı olarak içi boş bakır boru kullanılır ve ısınmayı önlemek için boru içinden su geçirilir. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 49
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Endüksiyon fırını transformatör olarak çalıştığına göre, bu durumda sekonderin de iletken olması gerekir, iletken olmayan materyal ısıtılacağı zaman potanın iletken olması gerekir. Bu potaların iletken olması için genellikle kil ve grafit karışımından yapılırlar. Böylece muhtelif oranlar kullanılarak; istenen elektrik iletkenliği, sıcaklık ve oksidasyona karşı dayanıklılık sağlanmış olur. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Grafit oranı ne derece yüksek olursa, iletkenliği ve çalışmaya dayanıklı sıcaklık da o nispette yüksek olur. Fakat buna karşılık, potanın okside olma hızı artmış olur. Endüksiyon fırınında şarjın üst yüzeyi, ateş ile ısıtılan fırınların üst yüzeyinden soğuk olacağı için, yapılacak cürufları düşük erime dereceli olmaları gerekir. Düşük frekanslı fırınlar özellikle; çinko, bakır, pirinç, bronz, alüminyum ve magnezyumun eritilmesinde çok kullanılmaktadır. 50
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 51
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları Bir iletken içinden alternatif akım geçtiğinde civarında alternatif manyetik alan oluşturur. Aynı şekilde iletken bir malzeme, alternatif manyetik alanın içine girdiğinde üzerinde bir akım akışı oluşur. Bu akım dıştaki mevcut manyetik alanı yok edici yönde bir zıt manyetik alan oluşturur. Dışarıdaki zıt manyetik alanın şiddeti frekansın bir fonksiyonudur. Frekans arttıkça yüzeyde oluşan akım daha etkili olur. 52
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları İndüksiyonla ısıtma prensibinde alternatif akımın geçeceği bobin ısıtılacak parçanın etrafını sarmakta, fakat parçaya temas etmemektedir. Bobin içinden geçen alternatif akımın oluşturduğu manyetik alan içindeki veya yakınındaki metal parçalardan devresini tamamlamaktadır. Akımın yön ve değerindeki değişiklik, manyetik alanda da aynı değişikliği oluşturur. Manyetik alandaki değişiklik, parça içinde bir gerilim doğurur. Parça direncinden geçen bu akım parça içinde ısı oluşturur. Isıyı endüksiyon akımı meydana getirdiğinden, bu işleme endüksiyonla ısıtma denir 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 53
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 6. Elektrik Fırınları 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 7. Flaş (Püskürtmeli) Erg. Fırını 7. Flaş (Püskürtmeli) Ergitme Fırını Bu yöntemde kavurma ve izabe beraber yapılır. 1949 da faaliyete geçen bu yöntemde kavurma sırasında meydana gelen ekzotermik reaksiyonların ısılarından ergitme işleminde yararlanılmaktadır. Reverber fırınında yaş izabe yapılabilirken, flaş izabede bakır konsantresi flux ve diğer yardımcı materyal önce ısıtıcılarda kurutulmakta ve 300 400 o C ye ısıtılmış hava ile birlikte tepkime kulesinden fırına püskürtülmektedir. 54
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 7. Flaş (Püskürtmeli) Erg. Fırını 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 7. Flaş (Püskürtmeli) Erg. Fırını 55
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.6 Ergitme (İzabe) / İzabe Fırınları / 7. Flaş (Püskürtmeli) Erg. Fırını 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi Konverter İşlemi İzabe ürünü ergimiş metalik fazın konverter adı verilen fırında oksijen veya hava üflenerek oksitlenmesi yolu ile ham metalin elde edilmesi işlemidir. Konverterler, herhangi bir yakıt yakılmaksızın işlem esnasında meydana gelen ekzotermik reaksiyonlar sebebiyle üretim gerçekleştiren fırınlardır. Kendi eksenleri etrafında hareket edebilirler. 56
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi Pek çok çeşidi mevcuttur. Genellikle Cu üretiminde kullanılan konverterler, Çelik üretiminde kullanılan Bessemmer ve Thomas bazik Oksijen konverterleri en önemli örneklerdir. Konverterdeki oksitlenme reaksiyonları ısı veren türden reaksiyonlar olduğundan konverterde yakıt kullanımına gerek olmadığı gibi, fazla ısıdan yararlanmak ve fırının sıcaklık yükselmelerine engel olmak için konvertere soğuk hurda yüklenir. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi Bessemer Thomas konvertörünün şekli 57
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi ÇELİK KONVERTERİ REAKSİYONLARI Çelik üretim oksidasyon reaksiyonları sıvı maden ve hurda karışımı üzerine su soğutmalı bir lans vasıtasıyla jet hızıyla saf oksijen üflenmesi ile gerçekleşir. Bu işlem sıvı çelikte bulunan yüksek orandaki elementleri oksidasyona uğratır. Oksidasyon aslında yakma işlemidir. Reaksiyonlar; 1-Karbonun oksidasyonu, karbon ve oksijeni birleşmesi ile gerçekleşir ve reaksiyon ürünü gazdır. 2-Silisyumun oksidasyonu, Silisyum ve oksijenin birleşmesi ile gerçekleşir ve reaksiyon ürünü oksit bileşiği halinde cürufa geçer. 58
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi ÇELİK KONVERTERİ REAKSİYONLARI 3-Manganın oksidasyonu, Mn ve oksijenin birleşmesi ile gerçekleşir ve reaksiyon ürünü oksit bileşiği halinde cürufa geçer. 4-Fosforun oksidasyonu, P ve oksijenin birleşmesi ile gerçekleşir, reaksiyon ürünü oksit bileşiği halinde cürufa geçer. 5-Kükürtün reaksiyonu, S ve oksijenin birleşmesi ile gerçekleşir ve reaksiyon ürünü sülfür bileşiği halinde cürufa geçer. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi ÇELİK KONVERTERLERİ Bessemer Konverteri L-D Konverteri 59
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi Bessemer konverteri 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi 60
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.7 Konverter İşlemi 61
2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.8 Ateşle Rafinasyon Ateşle Rafinasyon (Tasfiye): Gerek redüksiyon gerekse mat oluşumu ile elde edilen bütün metaller daha ileri bir rafinasyon işleminden geçirilerek saflaştırılırlar. (Pik demirden çelik elde edilmesi) 1)Oksitleme Aşaması Ham metal içerisinde oksijene kimyasal ilgisi ana metalden fazla olan safsızlık elemanlarını oksitleyerek cürufa almak için oksijen üfleyerek gerçekleştirilir. 2)İndirgeme Aşaması Ana metal içerisinde oksitleme aşamasında kalan oksijeni gidermek için indirgeyici kok v.b. bir madde ile yapılan işlemdir. Elde edilen rafine bakır % 99,5 Cu lıdır. 2.2.1. PİROMETALURJİ / 2.2.1.8 Ateşle Rafinasyon 62
2.2.2. HİDROMETALURJİ Metallerin cevher veya konsantrelerden selektif olarak çözülmesi ve daha sonra oldukça temiz metal bileşenlerinin veya metallerinin bu çözeltiden kazanılması yöntemlerini içerir. Bu yöntem işlem görecek malzemenin hazırlanması, asit veya alkali bir çözücüde liç işlemi, metal içeren çözeltinin liç artığından ayrılması, çözeltinin temizlenmesi temiz metal bileşiminin elde edilmesi aşamalarını gerektirir. Son ürün olan temizlenmiş metal elektroliz veya pirometalurjik işlemlerle metale dönüştürülür. 2.2.2. HİDROMETALURJİ Su, asit, baz veya tuz çözeltisi gibi sulu bir ortam yardımı ile cevherden metal üretimidir. Son birkaç asırdan beri uygulanan ve gittikçe yaygınlaşan bir üretim metalurjisi tekniğidir. Alüminyum, çinko ve uranyum üretiminde yüksek oranda, bakırda artan oranlarda(% 20) ve kurşunda az oranda uygulanmaktadır. Hidrometalurji iki ayrı bölümde incelebilir. 1-Cevher ya da diğer metalurjik ürünlerden arzu edilen minerali çözeltiye alma işlemi (Liç İşlemi) 2-Çözelti içinden arzu edilen metallerin kazanımı 63
2.2.2. HİDROMETALURJİ / 2.2.2.1 Üstünlükleri Düşük tenörlü ve kompleks cevherlerin değerlendirilebilmesi, Metallerin ayrı ayrı yüksek verimde kazanılabilmesi, Yüksek safiyette metal üretilebilmesi, Sulu ortamlardaki reaksiyonların homojen, hızlı ve otomatik kontrol edilebilir olması, Ekonomik bir teknik olması. 2.2.2. HİDROMETALURJİ / 2.2.2.2 Avantajları a) Metaller liç çözeltisinden saf halde doğrudan elde edilebilirler (basınç altında hidrojenle çöktürme, sementasyon, elektroliz gibi ) b) Amalgam metalurjisini içeren bir proses mevcutsa yüksek saflıkta metaller, saf olmayan liç çözeltilerinden kazanılabilirler c) Cevherdeki silis içeren gang kısmı birçok liç edici maddeler tarafından etkilenmezler yani çözünmezler oysa pirometalurjik ergitme proseslerinde bu gang cürufa çekilmelidir. 64
2.2.2. HİDROMETALURJİ / 2.2.2.2 Avantajları d) Birçok hidrometalurjik proses oda sıcaklığında gerçekleştirilmektedir, pirometalurjideki gibi büyük miktarlarda yakıt tüketimi yoktur. e) Liç ürünlerinin muhafazası (veya tutulması) ergimiş mat, cüruf ve metallerin tutulmasından daha kolay ve ucuzdur f) Hidrometalurjik prosesler düşük tenörlü cevherlerin işlenmesi için özellikle uygundur 2.2.2. HİDROMETALURJİ / 2.2.2.2 Avantajları g) Bir hidrometalurjik proses küçük skalada çalışmaya başlayabilir, oysa bir pirometalurjik proses geniş skalada dizayna ihtiyaç duymaktadır. Bunun nedeni aynı kapasitede birkaç küçük fırınla çalışma yerine büyük ve tek bir fırınla çalışmak daha ekonomiktir. h) Hidrometalurjik tesisler ergitme fırınları kadar çevreyi kirletmezler. Bu faktör günümüzde önemli bir rol oynamaktadır. 65
2.2.2. HİDROMETALURJİ / 2.2.2.3 Dezavantajları Liç çözeltisinden çözünmeyen gang kısmını ayırmada zorluklar bulunmaktadır. Ayrıca liç çözeltisindeki çok küçük miktarlarda olan empüriteler bir metalin elektrodepozisyonuna (elektro çöktürme) kötü etki edebilir ve daha ileri saflaştırma prosesleri gerekebilir. Hidrometalurjik prosesler genelde oda sıcaklığında gerçekleştiğinden nispeten yavaştır, buna karşılık pirometalurjik prosesler yüksek sıcaklıklarda gerçekleştiğinden daha hızlıdır. 2.2.2. HİDROMETALURJİ / 2.2.2.4 Liç İşlemi (Leaching) Liç işlemi, bir çözücü yardımıyla bir katıdan çözünebilir bir bileşeni alma işlemidir. Ekstraktif metalurjide ise bir cevher veya konsantreden belirli bir mineralin (ya da minerallerin) çözündürülmesi, ayrıca kalsine, mat, alaşım hurdası, anod çamuru vb. metalurjik ürünlerinden belirli bileşenlerin çözündürülmesi işlemidir. 66
2.2.2. HİDROMETALURJİ / 2.2.2.4 Liç İşlemi (Leaching) Bu bağlamda iki temel amaçtan sadece biri gerçekleştirilir, 1- Metal değerlerini kazanmak için cevher, konsantre veya metalurjik ürünlerin işlenmesi 2- Daha konsantre formda elde etmek için bir cevher veya konsantredeki kolaylıkla çözünebilen bileşenleri (genellikle gang mineralleri) liç etme işlemi 2.2.2. HİDROMETALURJİ / 2.2.2.4 Liç İşlemi (Leaching) 67
2.2.3. ELEKTROMETALURJİ Elektrik akımı kullanılarak metallerin açığa çıkarılması veya işlem görmesi yöntemlerinin ele alır. Elektrik akımını kullanma şekline bağlı olarak iki ana gruba ayrılır. 1. Elektroliz (Elektrik enerjisi, elektroliz yapmak için kullanılmaktadır.) 2. Elektrotermik (Elektrik enerjisi, tamamen ısı temin etmek amacıyla kullanılmaktadır) Elektroliz : Elektrik enerjisinin kimyasal bir değişime yol açması ile metal üretimidir. Elektrik cereyanının sulu veya eriyik elektrolitlerden geçmesiyle meydana gelen kimyasal ayrışma neticesi katot da metal iyonlarının ve anot da metalik olmayan iyonların serbest hale gelmesi olayıdır. Elektrotermik; Elektrik enerjisinin ısı enerjisine dönüşmesi ile metal üretimidir. 2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ Metallerin ve genellikle malzemelerin içyapıözellik ilişkilerini araştıran, malzemelerin iç yapısını değiştirerek özelliklerini geliştiren alandır. 68
2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ Metaller ve Alaşımları Polimerler Seramikler Kompozitler Yarı İletkenler Biyomalzemeler 137 2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ Polimerler Seramikler Yarı iletkenler Metaller 69
2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.1 Metaller ve Alaşımları 139 2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.2 Polimerler 140 70
2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.2 Polimerler 141 2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.2 Polimerler 71
2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.3 Seramikler 143 2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.3 Seramikler 144 72
2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.3 Seramikler 145 2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.4 Kompozit Malzemeler 146 73
2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.5 Yarı İletkenler 147 2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.1. MALZEME ÇEŞİTLERİ / 2.3.1.6 Biyomalzemeler 148 74
2.3. MALZEME BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 2.3.2. MALZEMELERİN FONKSİYONEL SINIFLANDIRILMASI Uzay ve uçak Biyomedikal Elektronik Malzemeler Çevre ve Enerji Teknolojisi Manyetik Malzemeler Fotonik veya Optik Malzemeler Akıllı Malzemeler Yapısal Malzemeler 2.4. PROSES METALURJİSİ BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ 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. 75
2.4. PROSES METALURJİSİ BÖLÜM 2 MET. VE MALZ. MÜHENDİSLİĞİ Son yıllarda Metalurji Mühendisliğindeki gelişmeler, genel olarak metalurjik proseslerin optimizasyonu, nümerik simülasyon ve modelleme üzerine yoğunlaşmaktadır. 151 76