ALÜMİNYUM SÜREKLİ LEVHA DÖKÜMÜNDE SIVI METAL KALİTESİNİN ÖLÇÜLMESİNE İLİŞKİN YÖNTEMLER VE BİR UYGULAMA Mithat MARMARA* *Teknik Alüminyum San. A.Ş. - İstanbul mithat.marmara@teknikaluminyum.com.tr ÖZET Alüminyum sürekli levha dökümlerinde sıvı metal içeriğinde olası metalik ve metalik olmayan kirliliklerin yapıdan uzaklaştırılamaması kalite gereksinimi yüksek, folyo, derin çekilebilir malzemeler gibi kritik ürünlere yönelik üretimlerde büyük problemlere yol açmaktadır. Üretim içi proses hurdalarından, şarj edilen ingot, külçe, slab ve alaşım elementleri içeriğinden sıvı metal bünyesine katılan çeşitli kirliliklerin yanında uygun ergitme koşullarının sağlanamaması nedeniyle yapıda meydana gelen çeşitli metalik olmayan inklüzyonlar ve hidrojen ihtivası çeşitli üretim zorluklarına ve nihai ürünün yüzey kalitesinin bozulması, korozyon dayanımının düşmesi gibi kalitesel anlamda sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenle optimum rafinasyon koşullarında sıvı metal temizlenmeli ve yapılan rafinasyonun etkinliği ölçülerek takip edilmelidir. Bu çalışmada farklı iki tedarikçiden alınan hammaddenin aynı döküm koşullarında üretimi sırasında sıvı haldeki metal kalitesinin birbirleriyle kıyaslanması amaçlanmıştır. Dökümde iki farklı tedarikçiden alınan A7 ingot hammaddeler kullanılarak ergitme banyosu kurulmuş ve fırına proses hurdası ilavesi yapılmamıştır. Sıvı metalin ergitilmesi sonrası ve döküm makinesine transferi esnasında çeşitli bölgelerden alınan numunelerle Aluspeed cihazıyla Dross Testi ve Straube Pfeiffer Testi yapılmıştır. Ayrıca belirlenmiş tüm bölgelerden alınan sıvı metal numunelerinin hidrojen konsantrasyonları ölçülmüştür. Dross test numuneleri ve hidrojen ölçümleri ile işletme içi hızlı ve pratik sonuçlar elde edilirken Straube Pfeiffer test numuneleri elektron mikroskobunda incelenerek sıvı metal içerisindeki kirliliklerin cinsi araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Alüminyum, Dross, Hidrojen, Straube Pfeiffer, Yoğunluk CONCERNING METHODS AND A PRACTICE FOR MEASURING MOLTEN METAL QUALITY OF ALUMINIUM CONTINUOUS SHEET CASTING ABSTRACT Some metal and non-metallic impurities, which are the possible content of the liquid metal, are not extracted from structure that lead to big problems for high critical quality requirement products such as foil, deep drawing materials via continuous casting of aluminum. Impurities of liquid metal from recycling of scrap in production, charging of the ingots, slab, and the content of alloying elements as well as a variety of liquid metal melting conditions cause various non-metallic inclusions and hydrogen content which result in quality problems such as production troubles, less surface quality of the final product and low corrosion resistance. Therefore, liquid metal should be cleaned and followed by measuring the effectiveness of the refining according to the optimum conditions of refining.
Aim of this study is the comparison of molten metal quality during the production for two different raw material, which is supplied from different suppliers, in the same casting conditions. Melting furnace had been prepared with A7 ingot raw materials and process scraps were not feeded into the furnace during the casting operation. Dross Test and Straube Pfeiffer Test were done with samples which were collected after the melting of the raw material and transfering to the casting machine. Also, hydrojen concentration of molten metal samples, which were got from specified places, were measured. Quick and practical results were obtained with Dross test samples and measurements of hydrogen concentrations. Identity of the inclusions were investigated in the molten metal with Straube Pfeiffer test samples by electron microscope. Keywords: Aluminium, Dross, Hydrogen, Straube Pfeiffer, Density 1. GİRİŞ Döküm aşamasında ergimiş haldeki alüminyum alaşımları içerisinde genellikle metalik olmayan kalıntılara rastlanır [2]. Çoğu kez oksit, borit, karbür ve benzeri sert, seramik esaslı olan bu kalıntılar ekstrüzyon, profil ve levha ürünlerinde yüzey kalitesini bozarken ince folyolarda deliklenmeye yol açar [1]. Bu kalıntılar alüminyum matris tarafından ıslatılmadıklarından çözünmüş gazın gözenek oluşturması için en uygun yerleri oluştururlar. Aynı zamanda alüminyum eriyiğin akışkanlığını azaltarak döküm pratiğinde güçlüklere neden olurlar [1]. Döküm aşamasında yapıda kalan oksit ve inklüzyonların büyük bir bölümü yapıda poroziteler oluşturmakta ve nihai ürünün korozyon dayanımını düşürmektedir [2]. Flakslama ve filtreleme operasyonları sıvı metal içerisindeki inkluzyon ve oksitlerin yapıdan uzaklaştırılması için uygulanan yöntemlerdendir. Ancak kaliteli bir üretim için metalik olmayan kalıntıların nihai ürün yapısına geçmesi mutlaka önlenmelidir. Bunun için sağlıklı ergitme, rafinasyon ve filtreleme pratikleri gerekir. Döküm prosesinde rafinasyon için kullanılan flaksın cinsi, flakslama sıcaklığı ve süresi, uygulanan method, filtreleme ve gaz giderme işlemleri gibi parametreler sıvı metal kalitesinin iyileştirilmesinde önemli rol oynamaktadır. Ancak üretim içi proses hurdalarından, şarj edilen ingot, külçe, slab ve alaşım elementleri içeriğinden sıvı metal bünyesine katılan çeşitli kirliliklerin yapıdan uzaklaştırılması için optimum rafinasyon koşullarında sıvı metal temizlenmelidir. Bu operasyonların etkinliğinin değerlendirilmesi ancak sıvı metal kalitesinin ölçülmesiyle mümkün olmaktadır. Aluspeed test cihazı, alüminyum ve alüminyum alaşımlarının döküm aşamasında sıvı haldeki metalin kalitesi belirlemek ve referans alınan numunelerle görsel olarak kıyaslama yapabilmek amacıyla kullanılmaktadır. Bu cihaz ile alınan örneklerin içerisindeki çözünmemiş hidrojen ölçümünü yapılabilmektedir. Ayrıca cihaz üzerindeki entegre vakum odasında yoğunluk, dross ve straube pfeiffer testleri de uygulanabilmektedir. Şekil 1. Aluspeed cihazı görünümü
1.1 Hidrojen Ölçümü: Test öncesi sıvı metal sıcaklığına ısıtılmış hazneye alınan numunenin konmasının ardından cihaz üzerine entegre ısıtıcılı vakum odasında zamana bağlı olarak azalan ortam basıncında yüzeyde ilk kabarcığın görünmesi prensibine göre ölçüm gerçekleştirilir. Bu yöntemde, sıvı metal içerisindeki hidrojen basıncı, numunenin bulunduğu ortam basıncıyla eşitlendiği ya da ortam basıncından daha yüksek olduğu durumda numune yüzeyine doğru hareket eder ve numune yüzeyinde kabarcık yaparak ortama karışır. Hidrojen konsantrasyonu, ölçülecek numunenin alaşım bileşim oranlarına ve numune sıcaklığına doğrudan bağlıdır. Bu sebeple sıvı metal sıcaklığının ölçümünde ısıl çift (termokupl), alaşım bileşiminin tespitinde ise optik emisyon spektrometresi kullanılmaktadır. Cihaz otomasyonunda metal sıcaklığı, vakum odası basıncı, süre ve alaşım bileşim özellikleri değişkenlerdir. Bu değişkenlere bağlı olarak cihaz otomatik olarak hesaplama yapmakta ve numune içerisindeki hidrojen miktarını ccm/100g olarak belirleyebilmektedir. 1.2 Yoğunluk Testi: Bu test yoğunluk indeksinin hesaplanması için vakum altında katılaştırılan sıvı metal numunesi ile atmosferik ortamda katılaştırılan sıvı metal numunesinin yoğunluklarının formülize edilerek hesaplanması yöntemine dayanmaktadır. Yöntemde değişkenler süre ve basınç olarak belirlenmiştir. Yaklaşık 80g sıvı metal numunesi önceden 260 C ye ısıtılmış hazneye koyulduktan sonra vakum odasında 80mbar basınç altında 240sn sürede katılaştırılır. Sonuçların güvenilirliği açısından atmosferik ortamda katılaştırılacak sıvı metal numunesi eş zamanlı olarak aynı yerden alınmalıdır. Katılaşma sonrası elde edilen numunelerin hassas terazi vasıtasıyla tartılarak yoğunlukları hesaplanır. Hesaplanan yoğunluk değerleri yoğunluk indeksi formülünde yerine koyulur. Böylece elde edilen indeks ile metal saflığı hakkında fikir sahibi olunur. Yoğunluk indeksi=[(datm - Dvakum) / DATM]*100 formülü ile hesaplanır. Şekil 2. Yoğunluk testi vakum odası 1.3 Dross Test (Curuf testi): Dross test numuneleri sıvı metal içerisinde metalik olmayan inklüzyonlar hakkında yorum yapabilmek için kullanılan en kolay ve hızlı yöntemlerden biridir. Test yaklaşık 230g kadar sıvı metalin 10mbar dan daha düşük bir basınç altında vakum odasında katılaştırılmasıyla gerçekleştirilir. Bu yöntemde esas olan kontrollü basınç altında sıvı metal içerisinde bulunan kirliliklerin yapıdaki gaz kabarcıkları ile numune yüzeyine taşınmasıdır. Bu yöntemde değişken olan sadece basınçtır. Numunenin katılaşma süresince 10mbar basınçtan düşük bir vakum ortamında tutulması gerekmektedir. Test sonucu elde edilen numune yüzeyleri gözle incelenerek referans numune ile kıyaslaması yapılır. Böylece numune yüzeyinde oluşan metalik olmayan oksitlerin görünümüne göre metal kalitesi hakkında yorum yapılabilir.
Şekil 3. Dross test numunesi 1.4 Straube Pfeiffer Testi: Gaz inklüzyonların belirlenmesi için yapılan bu testte yaklaşık 230g sıvı metal numunesi 30-50mbar basınç altında vakum odasında katılaştırılır. Bu yöntemde sıvı metal içerisinde bulunan gaz haldeki inklüzyonlar belirli bir basınç altında tutulduğundan ortam basıncını yenememesi nedeniyle katılaşma esnasında numunenin tam ortasında yüzeye doğru bir dağılım gösterir. Test sonrası katılaştırılan numune ortadan ikiye kesilerek iç yüzeyinden oluşmuş olan porların şekil, boyut ve dağılımına bakılır. Sıvı metalin mümkün mertebe gaz inklüzyonlar içermemesi beklenmektedir. Bu sebeple yapılan test sonucunda karşılaşılan iç yüzey görüntüsüne göre sıvı metal içerisinde bulunan gaz miktarı hakkında görsel olarak bir fikir edinilmiş olur. iyi kötü 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Şekil 4. Straube Pfeiffer test numunesi Döküm operasyonu Teknik Alüminyum Avcılar tesisinin 2 numaralı sürekli levha döküm makinesinde yapılmıştır. Çalışmada 2 farklı hammadde ile aynı ergitme ve rafinasyon koşullarında temizlenmesi sonrası sıvı metal kalitesinin kıyaslanması amaçlanmıştır. Her iki hammadde için ergitme banyolarında performansı tam olarak görmek amacı ile sıcak temizlik yapılmış fırın tam olarak boşaltılıp tamamen tedarikçi ürünü ile banyo kurulmuştur. Banyoya proses hurdası ilavesi yapılmamıştır. Yeni tip ile döküm alınıp üretime başlanmıştır. Denemeler AA3005 alaşımında yapılmıştır. Aynı döküm koşullarında önceden belirlenmiş yerlerden alınan sıvı metal numuneleri kullanılarak Hidrojen ölçümü, Dross ve Straube Pfeiffer testleri yapılmıştır. Test numuneleri; - Ergitme fırın içinden, transfer yapılmadan rafinasyon ve alaşımlama öncesi, - Ergitme fırın içinden, transfer yapılmadan rafinasyon ve alaşımlama sonrası, - Filtre öncesi tane küçültücü beslenmeden önce ve beslendikten sonra, - Filtre sonrası yolluktan alınmıştır. Hidrojen ölçümü her bölgeden 3 kez, diğer katılaştırma testleri ise her bölgede 2 kez tekrarlanarak yapılmıştır.
2.1 Hidrojen Testi: Belirlenmiş tüm bölgelerden hidrojen ölçümleri yapılarak sıvı metal hidrojen konsantrasyonları kıyaslanmıştır. Tablo 1. İki farklı tedarikçiden alınan hammaddelerin döküm operasyonu sırasında farklı bölgelerden alınan örneklerinin hidrojen ölçüm sonuçları Numune Alma Yeri Tedarikçi Hidrojen miktarı (ccm/100 gr) Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon öncesi Standart 0,23 ± 0,01 Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon öncesi Yeni 0,25 ± 0,02 Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon sonrası Standart 0,20 ± 0,01 Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon sonrası Yeni 0,24 ± 0,03 Filtre öncesi tane küçültücü beslenmeden önce Standart 0,17 ± 0,02 Filtre öncesi tane küçültücü beslenmeden önce Yeni 0,16 ± 0,02 Filtre öncesi tane küçültücü beslendikten sonra Standart 0,15 ± 0,01 Filtre öncesi tane küçültücü beslendikten sonra Yeni 0,17 ± 0,00 Filtre çıkışı Standart 0,15 ± 0,01 Filtre çıkışı Yeni 0,18 ± 0,01 2.2 Dross Test (Curuf Testi): Dross test sonrası her iki hammaddeyle yapılan denemede test numuneleri kıyaslanmış ve fotoğrafları çekilmiştir A B Şekil 5. Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon öncesi alınan numunenin dross test sonrası görüntüsü (A) Standart kullanılan hammadde, (B) yeni tedarikçiden alınan hammadde.
A B Şekil 6. Filtre öncesi tane küçültücü ilavesi öncesi alınan numunenin dross test sonrası görüntüsü (A) Standart kullanılan hammadde, (B) yeni tedarikçiden alınan hammadde. 2.3 Straube Pfeiffer Testi: Straube Pfeiffer testi sonrasında elde edilen numuneler içerisindeki gaz boşlukları kıyaslanmıştır. Metalik olmayan kalıntılar hakkında fikir sahibi olabilmek için numuneler taramalı elektron mikroskobunda incelenmiş ve EDS tekniğinden yararlanılarak analizleri yapılmıştır. A B Şekil 7. Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon öncesi alınan numunenin straube pfeiffer testi sonrası görüntüsü (A) Standart kullanılan hammadde, (B) yeni tedarikçiden alınan hammadde. Şekil 8. Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon öncesi alınan numunenin straube pfeiffer testi sonrası numune merkezinde oluşan gaz boşlukları görüntüsü
Şekil 9. Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon öncesi alınan numunenin straube pfeiffer testi sonrası merkezden alınan SEM görüntüsü Element Weight% Atomic% C 18.42 26.63 O 49.94 54.21 Mg 1.30 0.93 Al 21.96 14.13 Si 2.50 1.55 P 1.05 0.59 Cl 0.35 0.17 K 0.42 0.19 Ca 2.79 1.21 Fe 1.27 0.40 Totals 100.00 Şekil 10. Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon öncesi alınan yeni tedarikçi numunesinin straube pfeiffer testi sonrası numunenin merkezinden alınan SEM görüntüsü ve EDS analizi Element Weight% Atomic% O 16.42 24.88 Al 83.58 75.12 Totals 100.00 Şekil 11. Ergitme fırın içi alaşımlama ve rafinasyon sonrası alınan yeni tedarikçi numunesinin straube pfeiffer testi sonrası numunenin merkezinden alınan SEM görüntüsü ve EDS analizi
3. SONUÇLAR - Hidrojen içeriği açısından bakıldığında ergitme fırını içinden alaşımlama ve rafinasyon işlemleri öncesi yapılan kontrollerde belirgin bir farka rastlanmamıştır. Ancak tüm aşamalarda yapılan kontrollerin geneline baktığımızda standart kullanılan hammadenin yeni hammaddeye göre hidrojen konsantrasyonunun daha düşük olduğu görülmektedir. - Dross test sonuçlarına bakıldığında temiz bir metalin numune yüzeyinin kabartısız olması beklenirken sıvı metal içerisindeki kirlilikler vakum altında numune yüzeyine çıkmış ve kabartılar oluşturmuştur. Yapılan denemelerde tüm aşamalara genel olarak yeni tedarikçiden alınan hammadde ile yapılan dökümde sıvı metal kalitesinin olumsuz olduğu, rafinasyon sonrası da yapıda kirliliklerin kaldığı görülmüştür. Standart olarak kullanılan hammadde de rafinasyon öncesi yüzeyde biriken kirlilikler kabul edilebilir bir görünümdedir. - Straube pfeiffer testi sonrasında yeni hammadde ile yapılan dökümde alınan numunelerin merkezlerinde büyük gaz-oksit boşlukları oluşurken yüzeylerinde de şişme görülmüştür. Numunelerin ortadan ikiye kesilip merkezlerindeki boşluklardan yapılan SEM-EDS analizleri sonucu yapıda yüksek oranlarda Al ve O elementlerine rastlanmıştır. Gaz inkluzyonların büyük bölümünün alüminyum oksit kalıntıları olduğu görülmüştür. - Standart hammadde ile elde edilen sonuçlar yeni hammaddeninkinden iyi olup rafinasyon koşullarında yapılacak değişikliklerle daha da iyi hale getirilebilir. Teşekkür: Çalışmada katkılarından dolayı 1n.Seda Ertan, Sn.Aziz GEDİKLİ ve Sn.Serkan ÇOBAN a teşekkür ederim KAYNAKLAR 1. Y. Birol, C. Kubilay, F. Büyükakkaş, Sıvı Alüminyumda Metalik Olmayan Kalıntılar,Proc. 12. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi Bildiriler Kitabı, İstanbul, 2005. 2. O. Majidi, S.G. Shabestari, M.R. Aboutalebi, Study of fluxing temperature in molten aluminum refining process, Iran University of Science and Technology (IUST), Iran, 2006. 3. Alupeed Tester Kullanım El Kitabı.