DEMIR-ÇELIK METALURJISI (DERS NOTU) Doç. Dr. ÖZKAN ÖZDEMĠR Doç. Dr. UĞUR ÖZSARAÇ 2015
1. Bessemer Yöntemi Bessemer prosesi, seri üretim boyutunda ergimiş pik demirden çelik üretimi yapılan ilk ucuz ve kolay yapılabilir endüstriyel prosestir. Proses; bu yöntemi ilk kez 1855 yılında bulan ve patentini alan Henry Bessemer in adıyla anılır. Aynı proses bu konuda çalışmalar yapan Amerikalı William Kelly tarafından 1851 yılında da keşfedilmiştir. Bu proses aslında 200lerde Çinliler tarafından uygulanan bir pratiğin geliştirilmesi şeklindedir. Temel olarak; ergimiş demir içerisinden hava üfleyerek oksidasyona tabii tutulan demirin içinden impuritelerin giderilmesi esasına dayanır. Oksidasyon aynı zamanda demir kütlesinin sıcaklığını yükseltir ve ergimesine katkıda bulunur.
Proses Proses, oval biçimli, kil ve dolomit ile astarlanmış büyük bir çelik konteynırın içinde gerçekleşir. Bu konteynıra Bessemer Konvertörü adı verilir. Konvertörün kapasitesi 8 tondan 30 tona kadar olabilir; ergimiş metal doldurumu yaklaşık olarak 15 ton civarındadır. Konvertörün üstünde bir açıklık bulunur, bu açıklıktan demir yüklenir ve yine ergime tamamlandıktan sonra oluşan eriyik ürün buradan dökülür. Alt taraf tuyer adı verilen birtakım delikler ve kanallarla donatılmıştır. Buralardan içeri metal banyosuna basınçlı hava üflenir; tabanın altında ise hava kutusu bulunur. 1,5-2.0 kg/mm 2 basınç altında üflenen hava bu kutudan tuyerlere taksim olur. Konvertör ortasından geçirilen miller vasıtasıyla şarjı alıp işledikten sonra üretilen çeliği geri boşaltabilecek biçimde 180 o dönebilecek şekilde iki yatak üzerine oturtulacak şekilde dizayn edilmiştir. Bu yataklardan birine bağlanmış otomatik bir vana aracılığıyla basınçlı havanın fırına verilmesi sağlanır. Konverter yatay durumda iken hava otomatik olarak kesilir, tekrar dikey duruma geldiğinde hava hemen açılır.
Asit Bessemer Konverterleri, kuvarsit (SiO 2 ) veya bundan yapılan tuğlalar ile astarlanır. Konverterin taban kısmı daha çabuk aşındığından genel olarak ayrı yapılır ve havanın girdiği kısım parça parça çıkarılarak tamir edilebilir veya taban tamamen değiştirilebilir. Asidik konverterin duvar kalınlığı 25-40 cm olup, tabanında 15 mm çapında 250 kadar hava üfleme kanalı vardır. Konverterin yüksekliği 6 m, iç çapı ise 3 m olup, 30-40 ton ham demir alabilecek kapasiteye sahiptir. Bu yöntemde şarj malzemesi olarak yüksek fırından alınan silisyumlu sıvı pik kullanılır ve şarja fazla miktarda çelik veya pik hurdası katılmaz. Silisyum bu yöntemin ısı üreticisi olup, asidik bir cüruf olan SiO 2 bileşiğini oluşturur ve bu nedenle fosfor ve kükürtü bağlayamaz. Geriye kalan oksijeni yok etmek için sıvı metale ferromangan veya oksijen alıcı (deoksidan) başka maddeler katılır. Bessemer yöntemi daha çok düşük karbonlu çeliklerin üretiminde kullanılır. Oksidasyon prosesi silikon, manganez (Mn) ve karbon gibi impuriteleri oksitli bileşikleri biçiminde uzaklaştırır. Bu oksitler gaz biçiminde uzaklaşabildiği gibi katı curuf formunda da giderilebilir.
Avantajları 1. Bu yöntem ile kısa sürede çok miktarda çelik üretmek mümkündür. 2. Pikin bünyesindeki yabancı maddeler süratle yok edilebilir. Dezavantajları 1. Hurdanın ergime sıcaklığının yüksek olması nedeniyle bu yöntemde hurda işlenemez. 2. Yüksek oranda kükürt ve fosfor içeren ham demirden bu yöntemle çelik üretilemez.
2.Thomas Yöntemi 1876 yılında Thomas Gillahrist ham demirdeki kükürt ve fosforun yakılmasını sağlayan bir fırın geliştirdi. Bu fırın, Bessemer konverterinin hemen hemen aynısıdır. Tek farkı ise astarının asidik silika tuğlalar yerine bazik dolomit tuğlalar1a yapılmış olmasıdır. Yüksekliği 8 m ve iç çapı 5 m olan Thomas konverteri, 100 tona kadar ham demir alabilir. Thomas konverterinde, çeliğin fosfor oranı %0,06-0,08 değerine düşünceye kadar üflemeye devam edilir. Yanma ve hava verilmesi sırasında çelik sürekli olarak, %79 oranında azot içeren bir gaz ile temas halindedir. Bu nedenle çeliğin içerisinde %0,012-0,025 gibi yüksek oranda azot bulunur. Azot ve fosfor oranlarının yüksek olması nedeniyle Thomas çeliğinin plastik şekil değiştirme kabiliyeti sınırlıdır. Avantajları Kısa üfleme süresi içerisinde sisteme enerji vermeden çok miktarda çelik üretilebilir. Fosforun oksitlenerek yanması nedeniyle çelikte gevrekleşme olmaz. Dezavantajları Üretilen çeliğin şekillenme kabiliyeti çok sınırlıdır. Bu yöntemle hurda işlenemez.
3.Siemens - Martin Yöntemi Siemens-Martin Yöntemi, Alman Siemens ve Fransız Martin tarafından bulunmuştur. Bu yöntemde, çelik sabit veya devrilebilen 100 ile 300 ton kapasiteli fırınlarda ergitilir. Fırın çeşitli refrakter malzemelerden yapılmış olup, büyük bir yüzeye ve küçük bir banyo derinliğine sahiptir. Taban manyezit veya krom-manyezit tuğlalar ile döşendikten sonra, yanmış manyezit ile kaplanır.
Re-jeneratif ön-ısıtma fırından atılan eksoz gazları, içinde refrakter tuğlalar olan bir odaya pompalanır. Burada ısı gazdan tuğlalara geçer. Daha sonra Fırına akış ters çevrilir, böylece yakıt ve hava odadan geçerek içerdeki tuğlalar tarafından ısıtılır. Re-jeneratörler, fırının karakteristiğini yansıtırlar ve ateş-tuğlalarından imal edilmişlerdir. Bunlar fırının kenarlarına dizilmişlerdir. Tuğlalar atık gazlardaki ısının tamamına yakınını absorbe ederler. Daha sonra aldıkları bu ısıyı, yanma için içeri alınan soğuk gazlara verirler. Bu metot da Bessemer prosesi gibi astarının türüne göre asit ve bazik olarak iki şekilde adlandırılır.
Bazik Siemens-Martin Metodu Demir cevherleri ve bundan dolayı, pik demiri yüksek fosfor içerdiğinden dolayı bazik Siemens-Martin metodu kullanılmaktadır. Bilindiği gibi fosfor asit metotla giderilememektedir. Bu metot; Bessemer ve BOF a kıyasla çok daha yavaş olmakla beraber, tam istenilen bileşime ve sıcaklığa erişilinceye kadar çeliğin fırında tutulabilmesi bakımından daha iyi kalitede çelik üretilmesini sağlar. Ayrıca ergitmede, istenildiği kadar hurda kullanabilme imkanı, bu metodun avantajlarındandır. ġarjı: İşletme şartlarına ve ham maddelerin elde edilebilirliğine bağlı olarak fırın çeşitli oranlarda ham maddeler ile şarj edilebilir. Kullanılan ham madde oranlarına göre 5 tip şarj vardır: 1. Tamamen sıcak metal 2. Sıcak metal ve sıvı çelik 3. Çelik hurdası ve sıcak metal 4. Çelik hurdası ve katı pik demir 5. Çelik hurdası Çelik hurdası ve sıcak metal şarjı en fazla kullanılan şarj tipidir. Ayrıca şarja bir miktar katı pik demiri ilave edilebilir.
Oksitlenme reaksiyonları: Si + 2 FeO = SiO 2 + 2 Fe Mn + FeO = MnO + Fe C + FeO = CO + Fe 2P + 5FeO = P 2 O 5 + 5Fe ΔH = -70200 cal ΔH = -26800 cal ΔH = -37600 cal ΔH = -45600 cal Si, Mn ve P un kimyasal reaksiyonları ekzotermiktir ve hurdanın ergimesine yardım eder. CaCO 3 (katı) = CaO (katı) + CO 2 (gaz) Bu reaksiyon endotermik olup 800 C civarında başlar. Yüksek sıcaklıklarda bile yavaş olarak gelişir.
Asidik Siemens-Martin Metodu: Yapılış ve işletme bakımından bazik fırına çok benzer. Yalnız asit fırının ocak kısmı silis kumu gibi asit bir refraktörle astarlanır. Ocak kısmının asit karakterde olması, bazik bir curuf yapılmasını önler. Asit curufta fosfor ve kükürt giderilemediğinden, asidik yöntemle çelik üretiminde şarjın P ve S yüzdesinin düşük olması gerekir. Avantajları a) Fosfor ve azot oranın düşük olması nedeniyle bu yöntemle üretilen çelikler soğuk şekil değişimine elverişlidir. b) İşlem yavaş olduğu için çeliğin bileşimi kontrol edilip, ayarlanabilir. Bunun sonucu olarak Siemens-Martin fırınlarında üretilen çeliklerin içerisinde nispeten düşük oranlarda metal olmayan maddelere rastlanır. c) Siemens-Martin fırınlarında çelik hurdası kullanılabilir. Pik hurdasından daha az miktarda yabancı madde içeren çelik hurdası kullanılmakla çelik üretim hızı artırılabilir. Dezavantajları a) Bu yöntemde reaksiyon süresi uzun olduğundan az miktarda ürün alınır. b) Tesisin kurulması ve işletilmesi pahalıdır. c) Fırındaki alev, alaşımlı çeliklerin ergitilmesi sırasında kıymetli alaşım elementlerinin yanmasına neden olabilir.
4.Oksijen Üfleme Yöntemleri (Bazik Oksijen Fırını) Çelik üretimi sırasında sıvı metale hava üf1enmesi azotun çeliğe girmesine neden olur. Azot, çeliğin plastik şekil değiştirme yeteneğini kısıtlayıp, özellikle soğuk şekillendirilmesini zorlaştırdığı için istenmez. Bu nedenle, hava yerine oksijen üf1eme yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemlerde, su soğutmalı bir bakır boru içinden banyo üzerine saf oksijen üflenir. Kazan şeklindeki reaksiyon kabı kapalı bir tabana sahip olup, kolayca sökülüp yer değiştirilebilecek şekilde imal edilmiştir. Son yıllarda hemen hemen her ülkede oksijen üfleme yöntemiyle çalışan çelikhaneler kurulmuştur. Avantajları a) Saf oksijen kullanıldığından reaksiyonlar daha hızlı olur ve istenmeyen azotun ısıtılması için enerji harcanmadığından sıvı metal daha iyi ısınır. b) Başlangıçta sıvı durumda oluşan cüruf, kireç katkısı ile bazik duruma gelir. Bu nedenle, fosforun uzaklaştırılması hemen başlar. Banyo içerisine azot giremediği için üretilen çelikte çok düşük oranda azot bulunur.
Proses Bazik Oksijen Fırını, Yüksek Fırından alınan ergimiş demirin sıvı çelik haline getirildiği konverterlerdir. Bu proses ilk kez, Avusturya nın çelik üretiminde önde gelen kasabaları Linz ve Donawitz de geliştirilmiştir. Bundan dolayı Bazik Oksijen Fırını; LD-Konverteri adıyla da anılır. Prosese bazik denmesinin sebebi, fırın içinde astarlamada kullanılan kalsiyum oksit ve magnezyum oksit gibi ph değeri bazik olan refrakterler kullanılmasındandır. Dünyada üretilen çeliğin önemli bir kısmı bazik oksijen fırını kullanılarak üretilmektedir. Günümüzdeki modern fırınlar 350 tona kadar ergimiş demiri şarj olarak alabilmekte ve 40 dakika içinde çeliğe dönüştürebilmektedirler.
Bazik Oksijen Fırınında (BOF) Çelik Üretimi 1) Konverterin ġarjı Bazik oksijen metodunda konverterin şarj edilmesinde başlıca dört tip şarj kullanılır: 1) Değişik hurda - Değişik sıvı pik şarjı 2) Değişik cevher - Değişik sıvı pik 3) Sabit hurda - Sabit sıvı pik - Değişik cevher 4) Sabit hurda - Değişik sıvı pik - Değişik cevher. Bununla birlikte bazik oksijen fırınlarında, genellikle % 70-80 oranında yüksek fırından gelen sıvı metal (sıvı pik) ile kalan kısmını çelik hurdası, kireçtaşı, dolomit ve deoksidantların oluşturduğu şarj kullanılır.
2) ĠĢletme Bazik oksijen fırını yaklaşık olarak 45 derece eğimli iken içerisine doğru hesaplanan miktar kadar hurda malzeme yüklenir. Daha sonra hemen üzerine sıvı pik metal ilavesi yapılır. Konverter dikey duruma getirilir ve oksijen borusu sıvı şarjın üzerine daha önce tespit edilmiş bir mesafeye kadar indirilir. Banyo ile oksijen borusu arasındaki mesafe 150 cm. dan 250 cm. ye kadar değişebilir.
Oksijen verilmeye başlandıktan hemen sonra üst kattaki bir silo sisteminden belirli miktarlarda kireç (CaO), fuluşpat (CaF 2 ), dolamit, kolemanit ve tufal (FeO) gibi cüruf yapıcı katkı maddeleri fırına ilave edilir. Kireç sıcak pik demir içindeki Si ve P gibi istenmeyen elemanlarla birleşerek cürufu meydana getirir. Oksijenin kısmen kimyasal ve kısmen banyoyu karıştırıcı etkisi vardır. Basınçlı oksijen banyoyu şiddetle karıştırdığından tasfiye reaksiyonları hızlanır. Oksijen sıvı şarjın yüzeyine çarpar çarpmaz demir oksidin oluşumuna sebep olan reaksiyonları başlatır.
3) Cürufun kontrolü Bazik oksijen fırınlarında kireç miktarı hesaplanır, çeliğin içinde kalan S ve P miktarının kabul sınırlarının altında olması için yeterli kireç ilâvesi yapılır. İstenilen döküm sıcaklığına ve karbon yüzdesine erişildiğinde fırın döküm tarafına eğilir ve metal, döküm deliğinden potaya alınır. Yapılacak çelik cinsine göre hesaplanan ilâve maddeleri, alaşımlar (ferro manganez, ferro-silisyum, alüminyum v.s.) ve kok fırına, bakır, nikel ve molibden ise potaya ilâve edilir. Döküm bittikten sonra fırın ters tarafa döndürülerek cüruf alınır.
4) ġekillendirme Bazik oksijen fırını ürünü olan çeliğin 1537-1650 C kimyasal analizi yapıldıktan sonra ya ikinci bir arıtma işlemine yada doğrudan sürekli döküm ünitelerine gönderilmektedirler. Burada, yani sürekli döküm ünitelerinde katılaşan çelik, yarı bitmiş halde kare, dikdörtgen veya plaka seklindeki kütükler haline getirilirler.
Bazik Oksijen Fırınına Yüklenen Hammaddeler 1)Sıvı Pik Demir : Sıvı haldeki pik demir yüksek fırından bazik oksijen fırınlarına torpidolarla taşınır yaklaşık % 4,3 oranında karbon, %1 veya daha az Si içerir. 2)Hurda: Bazik oksijen fırınına katılan hammaddenin yaklaşık % 25-30' nu hurda malzeme oluşturmaktadır. Hurdalarda % Cu, Sn, Ni, Cr, ve Mo oranlarının toplamının % 0,13 değerini geçmemesi gerekmektedir. Aksi halde bu elementler oksitlenerek ortamdan atılamazlar. 3)Cüruf Yapıcı : Cüruf yapıcıların iki önemli amacı vardır (Kireç ve dolomit). İlk olarak sıvı pik metalden oksitlenerek ortaya çıkan SiO 'i bağlarlar. Oluşan cüruf sıcak sıvı metaldeki kükürt ve fosforu absorbe eder. 4)AlaĢım Elementi : Alaşım elementi ihtiyacı için kullanılırlar. Oksitlenip zarara uğramamaları için direkt olarak metal şeklinde ilave edilmezler. Kütle halinde içerisinde sıvı çelik bulunan potalara eklenir.
5.Elektrikli Fırın Yöntemi Elektrikli fırın yöntemi çelik üretimine çok elverişli olduğu için günümüzde bütün yöntemlerden daha üstün sayılmaktadır. Fransız Heroult 1899 yılında, bu yöntemin esasını bularak uygulamaya koymuştur. Bu yöntemle çelik üretiminde ark ve endüksiyon fırınları kullanılır. Bazik oksijen fırınlarından farklı olarak, Elektrik ark ocaklarında sıvı pik metal yerine hurda kullanılır. Hurda çelik elektrik ark ocağına üstten vinçle boşaltılır, ardından ocağın kapağı örtülür. Bu kapak ark ocağına indirilen üç tane elektrot için boşluk içerir.bu kapak üzerinde bulunan sistemde fırın içerisine inip kalkabilen grafit elektrotlar bulunmaktadır.
Ark fırınlarının kapasitesi genellikle 200 ton civarındadır. Şekil de de görüldüğü gibi ark 3 grafit elektrotla çelik arasında meydana gelir. Arkın sağladığı sıcaklık sayesinde çelik ergitilir. Bu sıcaklık, Siemens-Martin fırınlarında ulaşılan sıcaklıktan çok daha fazladır ve yüksek ergime sıcaklığına sahip alaşım elementlerinin ergitilmesine yetecek düzeydedir.
Elektrotlara verilen akım ile geçen elektrik bir ark oluşturur ve açığa çıkan ısı hurdayı ergitir. Metal ergimiş durumdayken bazik oksijen fırınlarında olduğu gibi çeliği saflaştırmak için fırın içerisine oksijen üflenebilir. Bu işlemde kullanılan elektrik miktarı 100.000 kişilik bir şehrin ihtiyacını karşılayacak miktarı aşabilmektedir. Hemen sonra ark ocağı diğer yana yatırılıp (45 ) erimiş çelik bir potaya aktarılır. Buradan çelik ya pota metalurjisi işlemine tabii tutulur yada sürekli döküm ünitesine gönderilir.
Bazik Oksijen Fırını (BOF) da oksijen metalin içine enjekte edilir ve orada çözünür. EAO da, oksitleyici şartlar cüruf fazıyla sağlanır. Oksitleyici bir cüruf yapılır (yüksek oranda demir oksit içerir) ve oksijen metale, cüruf-metal ara yüzeyinden transfer olur. Elektrik arkı kullanılarak yüksek sıcaklıklar elde edilir ve bu da metal katılaşması olmaksızın önemli miktarlarda alaşım elementleri ilavesini mümkün kılar. Kükürt giderilmesi ise redükleyici şartlarda sağlanır. Ergitme işlemi esnasında elde edilecek çelikte gerekli kimyasal kompozisyonu sağlayacak şekilde diğer demir esaslı metaller (ferro-alaşımlar) ilave edilir. Ayrıca yapıdaki demir dışı atıkları bağlayarak cüruf oluşturacak katkı maddeleri (flakslar) ilave edilir.
Çeliğin bileşimi istenen sınırlara gelmiş ise sıvı çelik banyosundaki oksitleri almak ve oksijen seviyesini minimuma indirmek için banyoya, deoksidanlar ilave edilerek deoksidasyon yapılır. Al, ucuz ve bol olduğu için tercih edilir. Son olarak sıcaklık ve bileşim kontrolü yapıldıktan sonra güç düşürülür ve gerekirse bazı ilaveler yapıldıktan sonra, yeterli sıcaklığa ulaşılmışsa döküm alınır. Genel kural olarak çeliğin ergime sıcaklığının 100 C üzerinde bir sıcaklıkta döküm alınır.
6. Ġndüksiyon Ocakları İndüksiyon ocaklarında, metal içinde manyetik alan oluşturmak için bir bobinden geçen alternatif akım kullanır. İndüklenen akım, hızlı ısıtma ve ergitme sağlar. Elektromanyetik kuvvet alanı, ayrıca sıvı metalde karıştırma etkisi oluşturur. Metal, ısıtıcı elemanlarla temas halinde olmadığından, yüksek kalitede ve saflıkta ergimiş metaller üretmek için ortam iyi bir şekilde kontrol edilebilir
Bu tip fırınlar genelde 16 ton kapasiteli olup, dökümhanelerde yüksek alaşımlı çeliklerin ergitilmesinde kullanılır. Bu tip fırınlarda alev bulunmaması alaşım elementi kayıplarını en aza indirir. Söz konusu fırınlar asidik veya bazik astarlı olurlar. Asidik astarlı fırında fosfor ve kükürt giderilemez. Bazik astarlı fırında ise bu elementler büyük ölçüde giderilir. Asidik astarlı fırında ergitme süresi daha kısadır ve bu yüzden elektrik tüketimi daha azdır. Bu yöntemin belli baģlı avantajları: a) Elektrikli fırınlarda oksitleyici bir alev bulunmadığından alaşım elementlerinin yanma oranı düşük olur. Bu nedenle, alaşımlı çeliklerin üretilmesinde ekonomik yararlar sağlar. b) Sıcaklık ve atmosfer kolay kontrol edilebilir. c) Atmosfer kontrolüne ek olarak, önce oksitleyici sonra da indirgeyici cüruf oluşturma olanakları mevcut olduğundan temiz çelik elde edilir.