DEMİR - ÇELİK METALURJİSİ Yrd. Doç. Dr. Mustafa AKÇİL (A) Prof. Dr. Şenol YILMAZ (B) 2014-2015 BAHAR YARIYILI Dersin Amacı Bu ders doğrultusunda entegre ve yarı entegre demir çelik tesislerinde pik demir ve çelik üretimi ile uygulanan işlem adımları öğretilmektedir. 1 2 Dersin İçeriği Demir çelik üretim proseslerinin genel tanımları, ham maddeler, ham demir üretimi ve yüksek fırın, çelik üretiminin temel prensipleri, bazik oksijen konverterleri, elektrik ark fırınları, deoksidasyon, gaz giderme ve rafinasyon, diğer pota işlemleri, ingot ve sürekli döküm yöntemlerinin prensipleri, sünger demir üretimi, dökme demirler, çelikler ve standartları. 3 4 Demir çelik metalurjisi; hammaddeden yarı mamul çelik üretimine kadar uzanan kademeleri içerir. Çeliğin işlenip mamul olarak tüketime sunulması ile ise imalat teknolojisi ilgilenir. 5 6 1
Demir çelik metalurjisi, 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. 7 8 Bunlardan biri geleneksel yöntem olarak da adlandırılan yüksek fırın ve bu fırında üretilen ham demir ile, diğeri de yüksek fırın dışında redüksiyon (tam olarak direkt redüksiyon) yöntemi ile sünger demir adı verilen yarı mamul ile çelik üretimi dir. Hamdemir,süngerdemirve hurda, çelik üretiminin en önemli hammaddeleridir. 9 10 11 12 2
Demir Çelik Üretimine Genel Bakış Cevherden demir üretimi (pelets, sinter, nodül, biriket) (Kok Fırınlarından) Kok Cevher (sinter,kireçtaşı) Kireç YÜKSEK FIRIN 13 14 Demir Çelik Üretimine Genel Bakış Bazik Oksijen Konverteri Pota Metalurjisi Yüksek Fırın Sürekli Döküm Sıcak Levha Hadde 15 16 17 18 3
Yüksek fırının bölümleri Fırın üstü Şarj sistemi Boğaz Bel Gövde Karın Hazne 19 20 21 22 Demir üretiminde hammaddelerin oranları Yaklaşık olarak bir ton demir üretmek için yedi ton hammadde gerekmektedir: 2.0 ton demir cevheri 1.0 ton kok 0.5 ton kireç taşı 3.5 ton gaz 23 24 4
Demir (Fe) Demir ve çelik yapımında kullanılan tabii hammaddeler içinde miktar ve değer itibarıyla en önemlisi demir cevheridir. Yer kabuğunun % 5,6 sını oluşturan demir yumuşak kolay biçimlendirilebilen bir metaldir. Doğada cevherler halinde bulunur. Saf olarak gök taşlarında bulunmaktadır. 25 Özgül ağırlığı 7,88 gr/cm 3, erime sıcaklığı 1538 C, çekme mukavemeti 27 kg/mm 2, 67 BH sertliğinde, % 40 uzayan mıknatıslanabilen, elektrik ve ısıyı iyi ileten gri renkli bir metaldir. Demir saf durumda yumuşak olduğu için endüstriyel amaçlara uygun değildir. Demiri endüstriyel amaçlara uygun kılan içinde bulunan karbon dur. 26 OKSİTLİ Mineral Adı Hematit Manyetit Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 Formül Renk Kırmızı-Kahve Koyu gri-siyah Çelik : % 2,1 e kadar C içerebilen Fe alaşımlarıdır. Limonit Fe 2 O 3 H 2 O(Kristal bağlı su) Kahve-Sarı KARBONATLI SÜLFÜRLÜ Siderit Pirit FeCO 3 FeCO 3 FeO+CO 2 Önce bu işlem yapılmalı. Enerji verilip oksitli hale gelebilmeli. Donuk sarı, Kahverengi veya koyu kahvemsi kırmızı FeS 2 Pirinç veya altın sarısı Dökme demir : % 2,1 den fazla C içeren Fe-C-Si-X alaşımlarıdır. Oksitli cevherler en önemli demir üretim kaynaklarıdır.. Bunları sırasıyla karbon ve sülfürlü cevherler takip etmektedir. 27 28 Entegre Tesis : Çok sayıda birbirine bağlanmış fabrikaları içeren ve Fe esaslı alaşımların üretildiği fabrikalar zinciridir. ERDEMİR 29 30 5
31 DemirÇelikveÖnemi Günümüzde halen metal malzemeler içerisinde en fazla üretilen ve tüketilen ve ayrıca en yaygın kullanım alanına sahip malzeme gurubunu oluşturmaktadır. Ülkelerin gelişmişlik düzeylerini gösteren en önemli göstergelerden biriside o ülkedeki insanların kişi başına yıllık olarak tüketmiş oldukları demir çelik miktarıdır. Türkiye: 341kg,2010yılı 342kg,2011yılı 400kg,2012yılı 434 kg,2013yılı 460kg,2014yılı 475kg,2015yılı 32 Demir çelik türü malzemelerin başlıca tüketim alanları, inşaat sektörü (yol, köprü, baraj ve bina yapımında), otomotiv sektörü, beyaz eşya sanayii, makine imalat sanayii, demir yolu taşımacılığında ray ve vagon yapımı, denizyolu taşımacılığı için gemi yapımı şeklinde sıralanabilir. 33 DEMİR ÇELİK ÜRETİMİ (TARİHÇE) İnsanoğlu metallerin kullanımına doğal metallerle başlamıştır. İlk doğal metaller olarak bakır, altın, gümüş ve gökyüzünden göktaşı olarak düşen meteorik demir dir. Tarihçilerin ifadelerine göre doğal demir, yani Ni içeren meteorik demir cennetten yeryüzüne gelen taşlar olarak kabul edilmiş ve sahibine rakiplerini ortadan kaldırmada tanrısal bir güç veren ünlü kılıç ve bıçakların yapımında kullanılmıştır. 34 Demirin bilinmesi bronz (Cu-Sn) kadar eskidir ama uzun süre demirin tek kaynağı meteorik demir olmuştur. Demirin bilinen tarihi M.Ö. 4000 yıllarına kadar uzanmaktadır. Mısırdaki piramitlerde büyük taşların birleştirilmesinde demir çubukların kullanıldığı bugün bilinmektedir. 35 36 6
Hititler, demirden silah kullanan ilk topluluktur. Hititler yüksek nitelikli demir işçiliği yapan belki de ilk uygarlık olarak ün kazanmışlardır. Çin de M.Ö. 200 ile M.S. 200 yılları arasında Khan Hanedanı döneminde yapılan büyük demir madeni ocağı, sanayi devrimi öncesinde hiçbir zaman ve hiçbir yerde benzeri olmayan ve sıcaklığı 1400 C ye kadar çıkabilen bir tesis olarak demirin ergitilip, kalıplara dökülmesi işleminde başarılı bir şekilde kullanılabilmiştir. 37 38 Çinlilerin bu kadar yüksek sıcaklıklara çıkıp demiri ergitme için fırın yapabilmelerinde, hayvan ve su gücü ile çalışan körükleri keşfedip bunu fırınlarda kullanmalarının önemli rolü olmuştur. 39 40 İlk demir ergitme fırınını yapan Çinliler, elde ettikleri dökme demirin araç-gereç yapımı için çok gevrek olduğunu fark edip, bunu ortadan kaldırmak için yeni bir yöntem geliştirmişlerdir. Dökme demiri ısıtarak yüzeyindeki fazla karbonu kızdırarak çıkartmışlar ve yüzeyde karbonu az olan bir tabaka oluşturmuşlardır (dekarbürizasyon). 41 42 7
Görüldüğü gibi M.Ö. 200 yıllarından itibaren demir cevherlerinden sadece dökme demir üretim teknolojisi gelişmiş, ancak kitle halinde çelik üretmeye müsait olabilecek 1600 C nin üzerindeki sıcaklıklara erişilememiştir. M.S. 1300 yıllarından itibaren Avrupa da bugünkü yüksek fırınların benzerleri çok küçük boyutlu olmak üzere yaygınlaşmaya başlamıştır. Bu sebeple çelik malzemeler önceleri, dökme demirleri erişilebilen en yüksek sıcaklıklarda oksitleyerek ve döverek çelik bileşimine yaklaştırmak suretiyle sanatsal teknolojilerle üretilebilmişlerdir. 43 44 1600 lü yıllardan itibaren sert ve gevrek bir malzeme olan dökme demirin yumuşatılıp sünek hale getirilmesi fikri üzerinde çalışmaların yapılmaya başladığı görülmektedir. M.S 1850 lere kadar bu teknolojilerin yanısıra çok az miktarda da pota ergitme yöntemiyle yüksek karbonlu olmak üzere çelik üretiminde gelişmeler izlenmiştir. 45 46 Osmanlılarda demir madenleri, halk tarafından işlenir ve demir üretilirdi. Madenlerde devlet tarafından bir Nazır bulundurulur, devlet ihtiyacı olan demiri ücret karşılığında satın alırdı. Ordu ve donanma topları, Maden Nazırı nezaretinde mahallinde üretilir ve gereken yerlere gönderilirdi. Türkiyede Demir Çelik Üretimi İlk olarak 1925 yılı ortalarında Avusturya dan Leopen Maadin mektebi öğretim üyelerinden Prof. Dr. Granigg i Türkiye ye davet edilerek Türkiye de demir sanayini kurmaya elverişli demir cevheri bulunup bulunmadığını, maden kömürlerimizin demir sanayinde kullanılacak kokun yapımına elverişli olup olmadığına ve demir sanayinin ekonomik olarak ülkemizin neresinde kurulması gerektiğini belirlemesi 47 istenmiştir. 48 8
Davet edilen kişi çalışmalarını 15 Ekim 1926 yılında tamamladığında ulaştığı sonucu şu şekilde özetlemiştir: Demir sanayinin kurulması ile her yıl Türk ekonomisine 10 milyon liralık bir katkı sağlayacağı bunun da başlangıç için oldukça önemli olduğu şeklinde idi. Bu tarihte Türkiye deki demir-çelik tüketimi kişi başına 20 kg iken bu değer ABD de 340, Almanya da 270kgidi. Daha sonraki müteakip çalışmalarla ihtiyaçlar belirlenip demir-çelik sanayinin kurulmasına karar verilmiştir. 49 1990 yılında 129 kg, 2000 yılında 202 kg ve 2005 yılında 269 kg olan Türkiye nin kişi başı ham çelik tüketimi, 2014 yılında 460 kg, 2015 yılında ise 475 kg olmuştur. 50 2012 yılında dünyada kişi başına en fazla ham çelik tüketimi 1.159 kg ile Güney Kore de gerçekleşirken, sıralamada Japonya 544 kg, Almanya 481 kg, ABD 323 kg, İngiltere177kgveÇin508kgileyeraldı. 2012 yılında Avrupa Birliği ülkelerindeki kişi başı ham çelik tüketim miktarı 302 kg seviyesinde kaldı. 51 Demir-Çelik Sektörünün Kronolojisi: 1930: Demir çelik sanayisinin temeli atıldı. Bu yıllarda modern anlamda üretim Kırıkkale de askeri fabrikalar müdürlüğüne bağlı olarak başladı. 1937: Türkiye nin ilk entegre demir çelik tesisi Kardemir kuruldu. 1939: Kardemir 150 bin ton çelik üretim kapasitesi ile üretime başladı. 1960: Özel mülkiyetli ilk ark ocaklı tesis olan Metaş, 20 bin ton kapasite ile İzmir de üretime başladı. 52 1965: Erdemir 470 bin ton üretim kapasitesi ile yassı ürün üretimine başladı. Çelik Üreticisi Ülkeler 1977: Türkiye nin ilk entegre tesisi olan İsdemir faaliyete geçti. 2001: Yıllık demir çelik üretimi 15 milyon tona çıktı. 2002: Türkiye, dünya çelik üretiminde 13 üncü sıraya yükselerek, büyük bir başarı sağladı. 2003: Ham çelik üretimi 18 milyon tonu aştı. 53 9
55 56 57 58 World crude steel production reached 1,594 million tonnes (Mt) for the year 2015, up by 2 % compared to 2014 59 60 10
2012, TÜRKİYE 35,88 milyon ton ( % 5,2 5 2011 ye göre ) 2013, TÜRKİYE 34,70 milyon ton ( % - 3,4 2012 ye göre ) 2014, TÜRKİYE 34,03 milyon ton ( % - 1,9 2013 e göre 2013 e göre ) 2015, TÜRKİYE 31,51 milyon ton ( % - 8 2014 ye göre 61 2014 ye göre ) 62 63 64 Harita da kapasiteleri 50.000 ton ile 500.000 ton arasında değişen 7 adet, 500.000 ton ile 1.000.000 arasında 3 adet, 1.000.000 ton ile 2.000.000 arasında 11 adet, 2.000.000 ton üzerinde ise 9 adet Elektrik Ark Ocaklı tesis ile toplam kapasiteleri 8.500.000 ton olan üç entegre tesis yer almaktadır. Demir-Çelik Sanayi Kuruluş Yeri Seçimi Öncelikle hammadde ve enerji kaynaklarının bulundukları yerler önemli rol oynar. Daha sonra demir cevherinin zenginlik derecesi, pazar, sermaye ve ulaşım imkanları da kuruluşa etki eden diğer faktörlerdir. 65 66 11
Bugün yeryüzünde demir sanayi kuruluşlarının % 90 dan fazlası hammadde ve enerji kaynakları sahalarını esas alırlar. Dolayısıyla demir sanayi tesislerinin maden kömürü havzaları ile cevher yatakları arasında paylaştırıldığı görülür. 67 68 69 70 71 72 12
ÖDEV (Prof.Dr ( Prof.Dr.. Şenol YILMAZ) Türkiye de çelik üretimi neden son 3 yıldır azalmaktadır? Sorunlar nelerdir? Çözüm önerileriniz nedir? 73 13