DEMİR ÇELİK METALURJİSİ (DERS NOTU) Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR 2015 Doç. Dr. Uğur ÖZSARAÇ
Demir, metallerin en ucuzudur ve alüminyumun yanında en çok bulunanıdır. Demir ve alaşımları dünya metal üretiminin %90 nını oluşturmaktadır. Saf demir özel uygulamalar dışında kullanılmaz. Genel olarak demir karbon alaşımına çelik denilmektedir. Metaller arasında en çok kullanılan demir ve çelik günlük yaşantımızın her alanında karşımıza çıkmaktadır. Bununla birlikte tarihte insanların demiri, altın, bakır ve tunçtan çok daha sonra kullanmaya başladıkları bilinmektedir. Günümüzde demir, sanayinin temel hammaddesini oluşturmakta ve ülkelerin ekonomik kalkınmasında önemli bir rol oynamaktadır. Ülkelerin ekonomik gelişmişlik göstergeleri kişi başına düşen gayri safi milli hasıla yanı sıra kişi başına düşen demir-çelik tüketimi ile de ölçülebilmektedir. Geçmişte, yüksek fırında aranan özelliklere sahip demir cevheri, doğrudan maden ocaklarında yapılan üretimle karşılanmıştır. Ancak sanayide demire olan gereksinimin hızla artması ve yüksek fırına doğrudan yüklenebilir özellikteki cevherin giderek azalması, düşük tenörlü cevherlerin de değerlendirilmesini zorunlu kılmıştır.
TÜRKIYE DE DEMIR-ÇELIK ENDÜSTRISININ GELIŞIMI Demir çelik üretim metalürjisi, bir bilim dalı olarak bir yandan kullanılan yöntemlerin, diğer taraftan da yeni teknolojilerin geliştirilmesine hizmet eder. Temel olarak çelik üretimi için iki ana üretim tekniği bulunmakta ve yoğun olarak yurdumuzda ve dünyada kullanılmaktadır. Bunlardan biri konvansiyonel yöntem olarak da adlandırılan yüksek fırında demir cevheri ve kok kömürü ile üretilen ham demir diğeri de yüksek fırın dışında redüksiyon (tam olarak direkt redüksiyon) yöntemi ile sünger demir adı verilen yarı mamul ile çelik üretimidir. Ham demir, sünger demir ve hurda, çelik üretiminin önemli hammaddeleridir.
Sektörde, ham çelikten üretim yapan kuruluşların, Akdeniz, Ege, Marmara ve Karadeniz olmak üzere, temel olarak 4 bölgede kümelendiği gözlenmektedir. 2012 yılı itibariyle sektörde kurulu olan 30 tesisin, 10 u Akdeniz bölgesinde, 8 i Marmara bölgesinde, 7 si Ege bölgesinde, 3 ü Karadeniz bölgesinde, 2 si de İç Anadolu bölgesinde yerleşiktir.
Hurda Dünya hurda tüketimi ve ticareti ham çelik üretimine paralel bir seyir izlemektedir. Hurda; Çelik üretimi sırasında oluşan hurdalar, Çelik tüketen sanayilerin üretimleri esnasında oluşan hurdalar ve Kullanım ömrünü tamamlayarak yıkılan binalardan, hurdaya ayrılan otomobil, makine, gemi veya diğer çelik ihtiva eden ürünlerden elde edilen hurdalar olmak üzere, 3 temel kategori altında toplanmaktadır. Yıllık 100 milyon tona yakın hurda üretimleri ile AB ve Çin en büyük hurda üreticileri arasında yer almaktadır. Avrupa Birliği önemli bir hurda ihracatçısı iken, Çin Halk Cumhuriyeti ürettiği hurdanın tamamını tüketmekte ve buna ilave olarak 6-7 milyon ton civarında ithalat yapmaktadır. AB ve Çin e ilave olarak büyük hurda üreticileri arasında, ABD, Japonya ve Güney Kore üst sıralarda yer almaktadır. Bir ülkenin hurda üretme potansiyeli, o ülkenin çelik üretimi ve tüketimi yanında, yaklaşık 20-25 yıl önce tükettiği çelik miktarı ile doğrudan ilişkilidir. Bu durum, hurda üretiminin genellikle geçmişte yüksek miktarlarda çelik tüketmiş bulunan gelişmiş ülkelerde yoğunlaşmasına neden olmaktadır. Ham çelik üretiminde hurda tüketimine dayalı elektrik ark ocaklı kapasitelerin artmaya devam etmesi ve iç piyasadan tedarik edilen hurda miktarının sınırlı seviyelerde kalması nedeniyle, Türkiye uzun yıllardan bu yana, dünyanın en büyük hurda ithalatçısı konumunda bulunmaktadır. Hurda ithalat miktarı açısından Türkiye yi, Güney Kore, Çin, Almanya ve İtalya takip etmektedir.
Türk Demir Çelik Sektöründe İstihdam Ham çelikten mamûl üreten kuruluşlarda, 2012 yılı itibariyle 38,4 bin kişiye doğrudan istihdam sağlanmıştır. Diğer çelik kuruluşları ve dolaylı istihdam ile birlikte, sektörün toplam istihdamının 200 bin kişinin üzerinde olduğu tahmin edilmektedir. Tablonun incelenmesinden de anlaşılabileceği üzere, Elektrik ocaklı (EO) tesislerdeki istihdam yıllar itibariyle kapasitedeki ve yeni tesis sayındaki artışa bağlı olarak yükselirken, BOF lardaki istihdam azalmıştır. Bazik Oksijen Fırını, Entegre Tesislerdeki (BOF) istihdam azalışı, özelleştirme sonrasında atıl işgücünün tasfiyesi ve gerçekleştirilen modernizasyon yatırımları sayesinde, işgücü verimliliğinin arttırılması sonucu ortaya çıkmıştır. 2012 yılı itibariyle 38,4 bin kişilik istihdamın yüzde 54,5 ine karşılık gelen 20,9 bini EO lu tesislerde, yüzde 45,5 ine karşılık gelen 17,5 bini ise, BOF lu tesislerde bulunmaktadır
Türkiye nin Ham Çelik Kapasitesi
Türkiye nin Kütük ve Slab (uzun ve yassı yarı mamul) Üretim Kapasitesi Demir çelik sektörü, başta yassı ve yapısal çelik ürünlerine yönelik yatırımlar olmak üzere, özellikle 2001 yılından sonra, hızlı bir büyüme ivmesi kazanmıştır. Ülkemizin, yassı çelik ürünlerinde ithalata bağımlılığının sona erdirilmesi ve sanayinin ihtiyaç duyduğu mamullerin iç piyasadan karşılanması amacıyla, son yıllarda yassı mamul üretimine yönelik yatırımlar artış göstermiş, 2015 yılına kadar kütük üretim kapasitesinin 40 milyon ton, slab üretim kapasitesinin ise, 20 milyon ton seviyelerine ulaşacağı tahmin edilmektedir. Bazı üreticilerin hem slab hem de kütük üretim kapasitesine sahip olmaları nedeniyle, toplam kütük ve slab üretim kapasitesi, ham çelik üretim kapasitesinin üzerinde seyretmektedir.
Dünya Çelik Derneği verileri, gelişmekte olan ülkelerde inşaat sektörünün, toplam çelik tüketiminin ortalama yüzde 57 sini gerçekleştirirken, makine, otomotiv ve metal ürünler gibi sanayi kollarının yeterince gelişmediğini göstermektedir. Gelişmiş ülkelerin tüketimlerinin dağılımına ilişkin istatistikler ise, inşaat sektörünün tüketim içerisindeki payının yüzde 36 seviyesinde kaldığını, buna karşılık otomotiv ve metal ürünleri gibi sanayi kollarının geliştiğini ortaya koymaktadır.
Türkiye deki Dinamikler ve Dünyadaki Eğilimlerin Muhtemel Yansımaları Dünya genelinde çelik tüketen endüstrilerin tüketimlerinde yaşanan düşüş veya artışlar, ihracatçı bir sektör konumunda bulunan Türk çelik sektörünün üretim performansına da yansımaktadır. Örneğin, Avrupa Birliği ndeki borç krizinin derinleşmesi ve buna paralel olarak pek çok AB ülkesinde yatırımların ve çelik tüketiminin hızla azalması nedeniyle, 2012 yılında AB ye yönelik toplam çelik ürünleri ihracatımız yüzde 31 oranında azalmıştır. Temel ihraç pazarlarındaki bu gelişmeler, demir çelik sektörünün ihracatını ve dolaylı olarak üretimini etkilemektedir.
Çelik sektöründeki büyüme, ihracat miktarında belirleyici olan uluslararası piyasalardaki talep gelişimi yanında, ülke ekonomisindeki gelişmeler, büyük çelik tüketicisi sektörlerdeki büyüme eğilimlerinden etkilenmektedir. Son yıllarda yaşanan gelişmeler, çelik üretimindeki büyümenin, genel ekonomideki büyümenin iki misli civarında daha yüksek bir seviyede gerçekleştiğini, ekonominin daraldığı dönemlerde ise, üretimdeki yavaşlamanın daha sınırlı seviyelerde kaldığını göstermektedir. Kaynak: T.C. Kalkınma Bakanlığı, 10. Kalkınma Planı 2014/2018, Demir Çelik Çalışma Grubu Raporu, Ankara 2014.
DEMIR CEVHERININ TANıMı VE SıNıFLANDıRMASı Sanayi ve yapılarda en çok kullanılan metalik malzeme, demir ve karbonlu alaşımları olan dökme demir ve çelik türleridir. Demir çelik sektörünün ana hammaddesi demir cevheridir. Bir madenin cevher olarak değerlendirilebilmesi için işletilmesi ve kullanılmasının ekonomik olması gerekmektedir. Çelik sanayinde kullanılan demir cevherlerinin harman tenörünün en az %57 Fe olması arzu edilmektedir. Demir doğada 4. yaygın bulunan bir metaldir (% 4.2). Yer kabuğunun takriben % 5 ini teşkil eden demir çok geniş sahalara yayılmış ve bol miktarda bulunan metallerden biridir, Demire saf halde ancak gök taşlarında rastlanır. Bunun haricinde demir tabiatta mineral halinde bulunur. Birçok demir minerali olmasına rağmen ticari değeri olup demir kaynağı olarak kullanılan birkaç demir minerali vardır. Demir ve demir ürünlerinin elde edildiği önemli miktarda demir ihtiva eden bu mineraller demir cevherleri olarak sınıflandırılır.
Demir cevherlerinin sınıflandırılmasında kullanılan birçok metot vardır. Bu metotlardan en fazla kullanılanı demir minerallerini kimyasal bileşimlerine göre olup oksitler, karbonatlar ve sülfürler olarak sınıflandırmaktır. Oksit mineraller en önemli demir kaynaklarıdır. Bunları sırasıyla karbonat ve sülfür mineralleri takip etmektedir. Verilen kimyasal bileşimler saf mineraller içindir. Genel olarak ticari cevherlerin veya konsantrelerin demir içeriği gang veya diğer yabancı maddelerden dolayı daha düşüktür.
MANYETİT - Kimyasal bileşimi Fe 3 O 4 olan manyetit %72,4 demir ve %27,6 oksijen ihtiva eder. Rengi koyu griden siyaha kadar değişir. Özgül ağırlığı 4,9-5,2 dir. Mıknatıs tarafından kuvvetle çekilir. Manyetitin bu özelliği çok önemlidir. Bu özellikten faydalanılarak manyetik ayırıcı veya manyetik seperatör vasıtası ile manyetit gangdan ayrılır ve yüksek kalite konsantre elde edilebilir. HEMATİT - Kimyasal bileşimi Fe 2 O 3 olan hematit %69,94 demir ve %30,06 oksijen ihtiva eder. Rengi kırmızı, özgül ağırlığı 4,5-5,3 dür. Hematit demir minerallerinin en önemlilerinden biridir. LİMONİT - Kimyasal bileşimi genel olarak Fe 2 O 3 xh 2 O olarak gösterilen limonit, manyetit ve hematitden daha düşük kalitededir. Rengi sarıdan kahverengiye kadar değişebilir. Özgül ağırlığı 3,6-4,0 dır. SİDERİT - Kimyasal bileşimi FeCO 3 olan siderit %48,2 demir ve %51,8 CO 2 ihtiva eder. Rengi beyazdan yeşilimsi griye kadar değişebilir. Özgül ağırlığı, 3,7-3,9 dur. Siderit ekseriya değişik miktarlarda kalsiyum, magnezyum ve mangan ihtiva eder. Karbonat cevherler çoğu zaman yüksek fırına verilmeden önce kalsine edilir. PİRİT - Demir birçok sülfür minerallerinde bulunur, fakat esas demir sülfür minerali Pirittir. Kimyasal bileşimi FeS 2 olan pirit %46,6 demir ve 53,4 kükürt. ihtiva eder. Rengi pirinç sarısıdır. Özgül ağırlığı 4,8-5,1 dir.
Demir sülfür mineralleri daha çok bir kükürt üretim kaynağı olduklarından önemlidir. Bu mineraller ayrıca bakır, gümüş, altın ve nikel gibi kıymetli metalleri ihtiva eder. Kıymetli metaller ve kükürt alındıktan sonra demir yan ürün olarak elde edilir. Demir madenciliğinde kullanılan tanımları şu şekilde açıklayabiliriz: Tüvenan cevher: Ocaktan doğal halde çıkarılmış ve hiçbir işleme tabi tutulmamış cevherdir. Parça cevher: Kırılıp elendikten sonra ayrılan 10-150 mm boyutları arasındaki cevherdir. Toz cevher: 0-10 mm boyutları arasındaki cevherdir. Sinterlik cevher: 0,15 mm elek altı en çok % 10, 6.35 mm elek üstü en çok % 5 olan 0.15-6.35 mm boyutları arasındaki cevherdir. Pelet: Zenginleştirme amacı ile belirli boyuta öğütülmüş ve sinterlenemeyecek boyuttaki cevher konsantresinin aglomera edilerek 4-16 mm arasında boyutlandırılmış, belirli bir ısısal işlem ile yüksek fırında kullanılabilecek dayanıma getirilmiş şeklidir. Sinterlik konsantre cevher: Zenginleştirilmiş 2-25 mm boyutlarında cevherdir. Kalibre cevher: 10-30 mm boyutlarındaki cevherdir. Safsızlıklar: Cevher içinde istenmeyen maddelerdir. Bazen bu safsızlıkları zenginleştirme yöntemleri ile ekonomik olarak cevher bünyesinden uzaklaştırmak mümkün değildir. Cevher bünyesinde bulunan bu safsızlıkların başlıcaları; SiO 2, Al 2 O 3, S, Cu, As, Ti, P, Na 2 O, K 2 O, Pb, Zn gibi element ve bileşiklerdir.
Bu safsızlıkların yüksek fırındaki etkileri aşağıda belirtilmiştir: SiO 2 : Cevher içindeki SiO 2 fazlalığı metalurjik proses sırasında fazla miktarda curuf oluşumuna sebep olur. Bu silisi nötralize etmek için ilave edilen kireç taşı, sıvı demir verimliliğini düşürür, yüksek fırında curuf miktarını ve yakıt tüketimi artırır. A1 2 O 3 : A1ümünanın %0.8-%1.5 arasında olması istenir. Alümina yüzdesinin fazla olduğu durumlarda gerekli sıvı demir akışkanlığını sağlamak için, yüksek fırın ısısının artırılması gerekir. Bu da yakıt tüketiminin artmasına neden olur. S: Yüksek fırın işletmeciliğinde pik demirin bünyesine giren çok küçük oranlardaki S bile çeliğin kırılganlığını arttırır. Cevher, kömür ve manganez bu kükürdün kaynağı olabilir. Kükürt yüzdesini düşürmek için yüksek fırın harmanına CaCO 3 ve SiO 2 ilave edilmesi gerekir. Bu da yüksek fırın verimliliğini olumsuz yönde etkiler. Alkaliler: Yüksek fırına şarj malzemesi ile giren alkaliler, fırın cidarlarına yapışarak kabuk oluşturup yüksek fırın hacmini azaltır. Burada yapıştıkları yüksek fırın tuğlalarının içine doğru nüfus ederek bu tuğlaların refrakterlik özelliklerini olumsuz yönde etkiler.
Çinko: ZnO, fırın üst cidarlarında tabakalaşma yapmasının yanı sıra, fırın tuğlası içindeki alümina ile reaksiyona girerek tuğlanın şişmesine neden olur. Çinkonun varlığı, yüksek fırında indirgenmesi zor ve üretim kayıpları meydana getiren fayalit ve gersenit gibi bileşiklerin oluşmasına neden olur. Cevher içinde çinkonun % 0.2'den az olması istenir. Kurşun: Kurşun demir cevherlerinde nadir olarak bulunur. Pik demire geçmez, fakat refrakter tuğlaya olumsuz yönde etki eder. Titanyum: Titanyum, demir cevherinde ilmenit (FeTiO 2 ) ve rutil (TiO 2 ) olarak bulunur. Cevherde ortalama TiO 2 %1 den az ise bu cevher yüksek fırında herhangi bir problem yaratmadan kullanılabilir. Arsenik: Arsenik oranının fazlalığı çeliğin soğukta kırılganlığını arttırırken kaynak yapılabilme özelliğini azaltır. Normal çelikte % 0.15-0.25 arası ve su vermede % 0.05-0.10 arsenik kabul edilebilir sınırlardır. Bakır: Bakır oranının % 0.3-0.4'ün üzerine çıkması durumunda çeliğin haddelenmesi ve şekil verilmesi sırasında, çeliğin yüzeyinde bakırca zengin, ergime derecesi düşük bir alaşım oluşur ve bu alaşım hadde sınırlarından geçerek yüzeyde küçük çatlaklar meydana getirir.
Türkiye Demir Cevheri Rezervi Türkiye de bugüne değin yaklaşık 900 adet demir oluşumu saptanmış, bunlardan ekonomik olabileceği düşünülen 500 kadarının etüdü yapılmıştı. Demir cevheri, demir metali ve çelik yapımı dışında en çok çimento ve yoğun ortam hazırlamada, daha az miktarlarda ferro alaşımlar, boya sanayi, yoğunluğu yüksek beton aglomerası ve hayvan yemlerinde kullanılmaktadır. Türkiye demir yataklarının bölgesel dağılımları aşağıda verilmiştir: a. Sivas-Malatya-Erzincan Bölgesi: Bu bölge, halen işletilmekte olan demir yataklarının büyük bir bölümünü içermesi, rezervlerin büyüklüğü ve gelecekte değerlendirilebilecek düşük tenörlü rezervleri de içermesi nedeniyle Türkiye'nin en büyük demir cevheri bölgesi olup bu bölgeden yüksek tenörlü, doğrudan beslemeye uygun cevher üretimi yapılmaktadır. Divriği A +B kafa, Ekin başı, Dumluca, Bizmişen, Kuru dere, Çetinkaya, Otlu kilise, Deveci, Karakuz, Sivri tepe, Hasan çelebi bölgenin önemli demir cevheri yataklarıdır. b. Kayseri-Adana Bölgesi: Türkiye'nin ikinci derecede önemli demir cevheri bölgesidir. Bölge cevheri genelde yüksek tenörlü, doğrudan beslemeye uygun cevherler olup yıllardan bu yana demir-çelik fabrikalarının gereksinimlerinin önemli bir kısmını karşılamaktadır. At tepe, Kızıl, Menteş, Karaçat tepe, Mağara beli (Koruyeli), Elmadağ beli, Ayı deliği, Karakız oluğu, Kararnadazı, Tacin demir yatakları bu bölgede bulunmaktadır.
c. Ankara-Kesikköprü Bölgesi: Bölge Ankara-Bala, Kırıkkale-Keskin arasındaki alanı kapsar. Bölgeden Karabük Demir- Çelik Tesislerine uzun yıllardan bu yana cevher sağlanmaktadır. Maden tepe, Büyük ocak, Camii sağir, Camii kebir yatakları bu bölgede bulunmaktadır. d. Batı Anadolu Bölgesi: Batı Anadolu demir yatakları genellikle yüksek tenörlü olmalarına karşın safsızlıklar içerir. Bu yataklardan üretilen cevherler, diğer cevherlerle harmanlanarak içerdikleri safsızlıklar uygun seviyeye düşürülebilmekte, sınırlı olarak doğrudan beslemeye uygun hale getirilebilmektedir. Şamlı cevheri Cu, Eymir cevheri As, Ayazmant cevheri Cu ve S gibi safsızlıklar içermektedirler. Ayazmant, Büyük ve Küçük Eymir, Şamlı Çavdar ve Hortuna sahaları bu bölgede bulunmaktadır. e. Diğer bölgeler: Yukarıda söz edilen bölgelerin dışında kalan demir yatakları ülkenin değişik bölgelerine yayılmıştır. Bu yataklardan en önemlisi Bingöl-Genç- Avnik yatağıdır.yatak önemli miktar da rezervi olmasına karşın, fosfat içeriği nedeniyle sorunludur. Ayrıca Sakarya-KarasuÇamdağ karbonatlı ve silisli cevher yatağı, yüksek alümünalı Payas yatağı, İçel yöresindeki düşük tenörlü yataklar, fosfat içerikli Bitlis- Meşesırtı- Öküzyatağı, Adıyaman- Çelikhan- fosfat içerikli Bulam, düşük tenörlü Kahraman Maraş Beritdağı ve Yozgat-Sarıkaya gibi demir cevheri yatakları da sorunlu olup içerdikleri safsızlıklardan arıtılması için zenginleştirme prosesi gerektirmektedirler.
Metalurjik Kok Üretimi: Demir oksitten ekonomik olarak metalik demir üretmek için en uygun indirgen karbondur. Bügün modern yüksek fırınlarda gerekli karbon koklaşmaya uygun kömürlerin 900-1100C de damıtılmasından elde edilmektedir. Kömür esas itibariyle bitkisel maddelerin rutubetli bir ortamda ve hava olmaksızın kısmi ayrışması ve jeolojik hareketler ile sıcaklık ve basınç etsiyle oluşmaktadır. Kömürün başlıca elementleri karbon ve hidrojen olup ayrıca az miktarda kükürt, oksijen ve azot ihtiva eder. Bunlardan başka yanıcı olmayan bileşiklerde ihtiva etmektedir ve bunlara kül denilmektedir. Kömür, havasız kapalı bir ortamda yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında kimyasal bileşikler bozunarak gaz haline geçer, geride karbonlu bir madde ve kül kalır. Buna KOK denir.
Koklaşma: Kömürün bünyesindeki suyun CO 2, CH 4 gibi maddelerden arındırılıp C yüzdesi olarak zenginleştirilmesi olayıdır. Kokun dış görünüm poroziteli ve süngerimsidir. 3 temel fonksiyonu vardır; Reaksiyonların gerçekleşmesi için ihtiyaç duyulan yüksek sıcaklık ve ısı enerjisinin temini. İndirgenme reaksiyonları için gerekli olan redükleyici CO gazının eldesi. C+O 2 =CO 2 CO 2 +C=2CO Ham demir bileşiminde bulunan C yüzdesinin eldesi için kok kömür sıvı ham demire C verici olarak kullanılıyor. Ayrıca;
Metalurjik kok eldesi için koklaşabilir nitelikteki kömür, hammadde olarak kullanılır. Buna bitümleşme özelliği denir.
Koklaşabilir nitelikteki kömürde uçucu madde miktarı %20 26 arasında olmalı kalorifik güç olarak ise en az 7500 kcal lik bir güce sahip olmalıdır. Bu özellikler sağlanmaz ise o kömürün kok üretiminde kullanılması uygun değildir. Koklaşma özelliği olan kömürün tane boyutu 0,5 mm ile 2 mm arasında değişmesi gerekmektedir. Kok kömürünün kimyasal bileşimi; C % 83 90 Uçucu madde % 0,5 4 Kül miktarı % 4 15 Kükürt % 0,03 0,05 Fosfor % 0 0,05 Kok kömüründe Kül miktarının (CaO, SiO 2, MgO, Al 2 O 3 ) bağlayıcılık etkisinden dolayı 0 olması istenmez. Kükürt, haddelemede sıcak yırtılma ve kırılganlığa sebep olmaktadır. Koklaşma sonrasında 1 ton maden kömüründen elde edilenler; 700 750 kg kok 40 45 kg ham katran 1,5 2,5 kg amonyak 7,5 10 kg ham benzon 300 310 m 3 kok gazı (Çok değerli ve 4000 4500 kcal/m 3 )
Kok Üretim Kademeleri: 200C ye kadar; Bu sıcaklığa kadar ısıtılan maden kömüründen öncelikle su ve bazı gazlar ayrılırlar. Bu sıcaklığa kadar H 2 O, CO 2 ve CH 4 gazları sistemi terk ederler. 200 400C; Su kaybı devam ederken gaz çıkışıda devam eder. Kömürün dış kenarlarında yumuşama ve gözenek oluşumu gözlenir 350 500C; Şişme ve plastikleşme başlar. Bazı yağ ve gazlar ortamı terk ederler. Kok oluşumunun başladığı bu sıcaklığa 1. kritik sıcaklık denir (çünkü plastikleşme bu aralıkta meydana gelir). 500C Üstü; Yağlar, gazlar ve katran dışarıya atılır. Bir miktar katılaşma gözlenir. 700 800C; Tüm uçucu maddeler ve gazlar sistemi terk etmeye devam eder. 2. kritik sıcaklık da denir. 1000C civarı; H ortamdan tamamen uzaklaşırken süngerimsi ve gözenekli kok yapısı elde edilir. Kok parçalarının ebadı büyük ölçüde şarj edilen kömürün ebadına bağlıdır
Metalurjik Koktan Beklenen Özellikler:
KOVAN METODU
YAN ÜRÜN METODU
Redüksiyon gazının oluşturulması amacıyla kok, kısmen başka yanıcı maddeler ile (örneğin petrol yada kömür tozu ile) yer değiştirilerek denenmiştir Buna rağmen kok, redüksiyon gazının ana üreticisidir. Kok, ısıl taşıyıcı olarak önemini kaybetmiştir, buna alternatif olarak tüyerelerden yanıcı gaz üflenmesi ve üflenen hava sıcaklığını arttırmak gibi önlemler alınmış ve uygulanmıştır. Yüksek fırınların verimlerindeki artışa paralel olarak fırına şarj edilen demir cevherlerinden beklentiler de artmıştır. Bu nedenle II. Dünya savaşından sonra iki aglomerasyon yöntemi geliştirilmiştir 1. PELETLEME ve 2. SİNTERLEME.
1. PELETLEME: Peletleme anlam olarak, çok ince taneli demir cevherinin veya benzeri malzemenin tambur veya platform gibi eğimli bir yüzeyde ve sulu bir ortamda yuvarlanarak küre şeklinde topaklanması ve bunu izleyen pişirme işlemiyle yeterli dayanıma kadar sertleştirilmesidir. Pelet malzemesi olarak; manyetit, hematit, hematit-manyetit karışımları veya doğal hematit ve limonit ince cevherler ve cevher-konsantre karışımları kullanılmaktadır. Üretilen peletlerde aranan özellikler; Ezme dayanımı Aşınma dayanımı Porozite Redüklenebilirlik Redüklenme sırasında şişme durumu Redüksiyon sonrası basma dayanımı Yüksek fırının kohezif bölgesindeki davranışları.
Endüstriyel uygulama bulmuş üç peletleme makinası var: Tambur (en fazla üretim) Konik. (artık çok kullanılmıyor) Tepsi (en düşük üretim) Tambur: Pelet tane boyutu çok geniş aralıkta değişir. Bu nedenle, pelet pişirme sonrası tambur peletlerinde eleme yapmak gerekmektedir.
Tepsi: Peletleme ve tane boyutuna göre peletlerin sınıflandırılması aynı anda yapılmakta. peletleme sonrası eleme işlemine gerek yok. Tepsinin pelet boyutunu sınıflandırması: Tepsi yüzeyinin yaklaşık % 90 ı peletlenecek malzeme ile kaplıdır. Tepsi cevherin yuvarlanması ve tepsiye yapışmaması için yeterli bir eğime sahip Pelet tepsinin dönmesi ile en aşağıdan en üst pozisyona taşınıyor Sonra tekrar aşağıya yuvarlanır ve çapı da artar Sınıflama etkisi ise tepsi üzerinde bulunan engellerin peletleri boyutlarına ve dolayısı ile ağırlıklarına göre farklı şekilde yönlendirilmesi sayesindedir.
Peletleme, taneciklerin bir su filmi ile kaplanması ile başlar. Taneciklerin hızlı hareketleri ile diğer tanecikler birbirlerine yaklaşır ve yapışır. Yüzey gerilimine göre tanecikler arasında su köprücükleri oluşur. Peletleme makinasında tanecikler diğer taneler ile sürekli temas halinde olduklarından ilk aglomerasyonlar (topaklanmalar) meydana gelir.
Pişirme, aglomerasyondan sonra sertleştirme uygulanır. Bu sertleştirme işlemi, demir cevherlerinde çoğunlukla yumuşama sıcaklığının altındaki yüksek sıcaklıklarda pişirme ile gerçekleştirilir. Pişirme işlemi ters akım prenbine göre çalışan şaft fırını veya şaft fırınına göre daha uygun ve esnek üretim imkanı sunan Konveyör bant-döner fırın kombinasyonu ile yada düşük yakıt sarfiyatı ile Lurgi-Dravo Fırını ile gerçekleştirilmektedir. Peletleme için manyetit cevher seçilir Zira pişirme sırasında Fe 3 O 4 (manyetit) Fe 2 O 3 (hematit) şekline oksitlenir. Bu oksitlenme sırasında 55 kcal/mol ısı açığa çıkar Açığa çıkan bu fazla ısı nedeniyle, pelet üretiminde % 55 i manyetit cevher kullanılır.
2. SİNTERLEME: Sinterleme aglomerasyon yöntemidir. Bu yöntem 19. yy nın son yarısında peletleme yönteminden 20 yıl önce geliştirilmiş. Günümüzde sinterleme, demir cevherlerinin aglomerasyonunda en çok kullanılan yöntemdir. Dünya ortalaması demir cevherlerinin % 50 si sinterleme ile hazırlanmaktadır. Avrupa da yüksek fırınlarda kullanılabilen türdeki cevherin % 70 i sinterleme % 16 sı peletleme % 14 ü ise parça cevher türündedir. Sinterleme karışımı Fe taşıyıcılar (cevher, baca tozu, tufal vb.) katı yanıcı maddeler (kok tozu) Su (nem) katkı maddeleri (curuf, kireçtaşı) geri dönen sinter (tane boyutu küçük).
CÜRUF YAPICI İLAVELER VE FLAKSLAR: İzabe (suelting): Bir metalin kazanılması için yapılan tüm ergitme ve rafinasyon işlemlerinin genel adıdır. Demir izabesinde yabancı maddeler açısından iki işlem gerektirir; Metalin bileşik olarak bulunduğu elemanlardan ayrılması: Redükleme Metalin mekanik olarak karıştığı maddelerden gang dan ayrılması Demir cevherlerinde bulunan ve curufa geçmesi istenen yabancı maddelerin çoğu refrakter şeklinde olup yüksek sıcaklıklarda ergir. Bu maddeler tam olarak ergimedikleri taktirde izabe işlemini geciktirir ve metal ile gang ın ayrılmasını önler. Flaksların birinci görevi bu maddeleri daha kolay ergir hale getirmektedir. İlave edildiği sistemde ergime sıcaklığını düşürerek sıvı faza geçişi kolaylaştırır (Ötektik sıcaklığı düşürür). Bazı elementler demire benzer şekilde redüklenerek demir ile bileşik oluşturur. Hammadde de bulunan demir ile bileşik halde bulunan elementlerin, tercihli olarak birleşecekleri diğer bir madde olmaksızın demirden ayrılmazlar. Flaksların ikinci görevi bu element veya bileşiklerin demire tercih edecekleri maddeyi temin etmek ve demirin serbest hale geçmesini sağlamaktır. İstenmeyen bazı element ve bileşikleri bağlayarak sıvı metal içinde çözünmesini engellerler. Bunu giderilecek bileşikte tercihen önceden reaksiyona girerek yaparlar. Örneğin fayalit
Flaksların Sınıflandırılması: Flaksların görevlerinden biri istenmeyen yabancı maddelerle kimyasal olarak birleşerek kolay ergiyen bir curuf oluştumak olduğundan bazik karakterdeki yabancı maddeleri uzaklaştırmak için asit bir flaks, asidik karakterdeki bileşikleri gidermek için bazik flaks kullanılır. Birçok cevherde hem asit hem bazik yabancı maddeler bulunmasına rağmen, asit karakterliler biraz daha fazladır. Asit flaks: Silis (SiO 2 ) asit çelik üretim yöntemlerinde flaks olarak kullanılmaktadır. Bazik flaks: En çok kullanılan bazik flaks kireç taşıdır. Bunu dolamit takip eder. Kireç taşı CaCO 3, dolomit (Ca,Mg)CO 3 dır. Genellikle demir cevherleri CaO+MgO gibi bazik oksitler ile beraber SiO 2 de ihtiva eder ve genelde SiO 2 miktarı bazik oksitlerin bağlayabileceğinden daha fazladır. Cevherdeki bu silisi curufa alabilmek ve pik demirdeki kükürt ve silis miktarlarını istenen oranlarda tutabilmek için yüksek fırına kireçtaşı ilave etmek gerekmektedir. CaCO 3 CaO + CO 2
Yüksek fırında kullanılacak kireçtaşının mümkün olduğu kadar az silis içermesi istenir. Kullanılan kireçtaşının kimyasal bileşimi; Madde % CaO 51 53,9 SiO 2 1,2 3,4 MgO 0,7 1,7 Al 2 O 3 0,7 0,86 Fe 0,3 0,6 Rutubet 0,6 1,7 P 0,06 0,033 Yüksek fırına şarj edilen kireçtaşı 10 cm ve üstü olmalıdır. Çelik üretiminde kireçtaşı kalsine edilerek kullanılır. Buna yanmış kireç de denilmektedir. Alümina (Al 2 O 3 ) flaks olarak nadiren kullanılır, fakat yabancı madde olarak bir çok hammadde de ve dolaysıyla curuf ta bulunur. Şartlara bağlı olarak curufta asit veya baz olarak hareket eder. Örneğin yüksek silisli curuflarda alüminyum silikat, buna karşılık fazla miktarda CaO olduğunda kalsiyum aluminat yapar.
Nötr flaks: Curufları daha akışkan yapmak için düşük ergime noktası olan nötr maddeler ilave edilebilir. En fazla kullanılan madde fluşpat (CaF2) dır ve kimyasal bileşimi aşağıda verilmiştir, Madde % CaF 2 81 SiO 2 4,75 Al 2 O 3, Fe 2 O 3 1 S 1 CaCO 3 kalan Flaks ın Hazırlanışı: Yüksek fırına şarj etme sırasında cevher ve kok ile birlikte karıştırılarak fırına şarj edilir. İyi etki göstermesi için şarj içinde homojen bir şekilde karıştırılması gerekir. Bazı fabrikalarda cevher kok, flaks, sinter ve pelet iyice karıştırılarak harman yapılır ve yüklenir. Yüksek fırına yüklenecek tüm hammaddelerin belli boyut aralığında olması gerekir. Boyutları parçalar halinde 10 cm ve yukarısındaki boyutlarda olmalıdır. Yüksek Fırında Hammadde Şarjı: Yüksek fırına hammadde şarjı besleme silolarından gelen ve yüksek fırının en tepesindeki besleme bölümüne konveyör veya bant sistemi ile getirilerek yapılır. Besleme bölümünde bu iş için çift çan sistemi ve besleme oluğu görev yapar. Şarj etme bölgesindeki çan sisteminin görevlerinden bir tanesi homojen bir dağılıma yardımcı olmak ikincisi ise yüksek fırın baca gazlarına yönlendirici etki yaparak hammaddelerin azda olsa ön ısınmasını sağlamaktır.