DEMIR-ÇELIK METALURJISI (DERS NOTU) Doç. Dr. ÖZKAN ÖZDEMİR Doç. Dr. UĞUR ÖZSARAÇ 2015
Kısa Tanımlar Çelik : % 2,1 e kadar C içerebilen Fe alaşımlarıdır. Dökme demir : % 2,1 den fazla C içeren Fe-C-Si-X alaşımlarıdır. Entegre Tesis : Çok sayıda birbirine bağlanmış fabrikaları içeren ve Fe esaslı alaşımların üretildiği fabrikalar zinciridir. Cevher: Yer kabuğunu oluşturan taşlar, bir ya da birden fazla minerallerden oluşur. Bu minerallerin ekonomik değeri olanlara cevher denir. Gang: Cevher içerisinde bulunan ve istenmeyen maddelere gang, empürite veya safsızlık denir. Sinterleme: Toz halindeki malzemenin erime sıcaklığı altındaki bir sıcaklığa belli bir süre maruz bırakılarak tozların birbirlerine değdikleri noktalardan başlayarak kaynaşmasına denir. Curuf : Tamamen saf olmayan metaller eritildiği zaman yoğunluk farkı nedeniyle yüzeyde biriken daha hafif metallere verilen isimdir. Hafif metalin havaya temas edip oksitlenmesiyle oluşur. Flaks: Cüruf yapıcı ilave maddeler.
YÜKSEK FIRIN Demir içerikli hammaddelerin kok ve kireç taşı ile bir arada ergitilmesinde kullanılan ve kapasitelerine göre yükseklikleri 30-90 m arasında değişen dikey ergitme fırınlara yüksek fırın denir. Yüksek fırınlarda sıvı pik elde etmek amacı ile demir içerikli hammaddeler (cevher, pelet, sinter gibi), cüruf elde etmek ve oluşacak curufun özelliklerini ayarlamak için oksit içerikli hammaddeler (flux malzemeleri; kireçtaşı, dolomit gibi), ısı elde etmek amacı ile karbon içerikli hammaddeler (kok, kömür, katran, fuel oil gibi) kullanılmaktadır. Yüksek fırın sürekli ve ters akım prensibine göre çalışan bir fırındır. Şarj edilen ve cevher, kok ve katkı maddelerinden oluşan hammaddeler yukarıdan aşağıya doğru inerken, aşağıdan üflenen hava ile yanan kok ile oluşan redükleyici gaz aşağıdan yukarı doğru çıkar. Yüksek fırında ham demir üretiminin iki amacı vardır; *Ham demir (PİK) üretmek, *Çelik üretmek için sıvı ham demir elde etmek. Yüksek fırın silindirik biçimde olup fırının gövdesi kalın çelik sacdan yapılır ve içi ateşe dayanıklı (refrakter) tuğla ile örülür. Hazne ve taban kısmında da refrakter tuğlalar kullanılır. Refrakter tuğlaların fırın içindeki kalınlıkları karın kısmında 75 cm olup, gövde kısmında 90-100 cm, taban kısmında 160-180 cm arasında değişir. Modern yüksek fırınlar gece gündüz çalıştırılarak 3 ile 7 yıl arasında kullanılabilir. Bu süre sonunda fırın durdurulur ve temizlendikten sonra tuğlaları yeniden örülebilir.
Yüksek fırının ana ürünleri yüksek oranda Fe içeren ham demir (As, C, Cr, Cu, Mn, Ni, P, S, Si), curuf ve baca gazlarıdır. Yüksek Fırın Şarjı: Yüksek fırın prosesinin verimi ve ham demirde istenmeyen elementler açısından S, Pb, Zn, ve alkali elementlerin miktarı mümkün olduğu kadar düşük olmalıdır. Proses sürecinde oluşan curuf ; mümkün olduğu kadar düşük ergime sıcaklığına, yeterli bir viskoziteye ve proses dışında kullanımı için (örneğin çimento hammaddesi) uygun bileşime sahip olmalıdır. Şarj Hammaddeleri (cevher, katkı ve yakıt): Cevher, pelet ve sinter Kireçtaşı (CaCO3) Dolomit (MgCO3 CaCO3) Kum (SiO2) Metalurjik Kok
Yüksek fırın kok u (metalurjik kok) yaklaşık 28000 kj/kg civarında bir ısıl değere sahiptir, içeriğinde; % 80 C, % 10 kül ve % 6 nem (H 2 O) 40-60 mm lik homojen tane boyutu, yüksek dayanım ve yüksek aşınma direnci. Kok tane boyutu cevherin 4 veya 2 katı olmalıdır. Yüksek fırın şarj bölgesinde değişmeli olarak kok ve cevher ile beslenir. Kenarlarda kısmen karışma olsa da cevher ergiyene kadar şarj katmanlı yapısını korur. Şarjın yüksek fırında toplam kalma süresi 6-8 saattir.
Yüksek fırınların bölümleri Yüksek fırın dış gövdesi bulunduğu bölgeye göre kalınlıkları değişen (30 50 mm) çelik sacdan imal edilmiştir. Fırın içerisindeki reaksiyonlar sonucu oluşan ısının gövde sacına zarar vermemesi için gövde sacı, fırın iç kısmından çeşitli kalitelerde refrakter tuğlalar ile korunmaktadır. Yüksek fırın şu kısımlardan oluşmaktadır : a-boğaz (Throat) b-gövde (Stack) c-bel (Belly) d-karın (Bosh) e-hazne (Hearth)
Fırının en sıcak bölgesi olan karın kısmına ergitme bölgesi adı verilir. Fırının üst kısmında çift çan düzeneği vardır. Yüksek fırının ana bölümleri aşağıda açıklanmaktadır. Üst kısım: Fırın üst bölgesinde silo, çan ve çan kapağı sistemi veya daha modern bir sistem olan çansız tepe sistemi bulunmaktadır. Ayrıca, yüksek fırın gazları borularla buradan dışarı atılır. Bu kısımda bulunan çan kapakları sayesinde dışarı gaz kaçırılmadan yüksek fırına şarj verilir. Hammaddeler fırın üst bölgesinden bu sistemler vasıtası ile içeriye gönderilmektedir. Malzemelerin ve gazın ısınması sonucu hacimlerinin artması nedeni ile rahat bir şekilde hareket edebilmeleri için gövde çapı aşağıya doğru genişlemektedir. Gövde: Fırının uzun ve aşağıya doğru genişleyen kısmıdır. Bu kısımda kok cevher karışımı aşağı doğru hareket eder. Şarj yaklaşık 9 saatlik bir sürede fırın içerisine yayılır. Gövdenin bittiği yerde başlayan ve dikey eksende çapı sabit olan bel (Belly) bölgesi fırının en geniş bölgesidir. Cürufun ve metalin ergimesi ve sonuç olarak hacimlerinin azalması bu bölgede başlar
Karın: Karın (Bosh) bölgesi ters koni şeklindedir. Üst kısmı bel, alt kısmı hazne ile birleşmektedir. Fırının alt tarafında yeniden daralmaya başlayan kısımdır. Kısmi ergimenin sağlanması için bu kısımdaki fırın hacmi küçültülmüştür. Karın bölgesinde erime işlemi ve son cüruf oluşma işlemi tamamlanır. Eriyen metal ve cüruf, karın bölgesinin altında bulunan ve dikey eksende çapı sabit olan hazne bölgesinde birikir. Fırın şekil ve bölümlerinin ölçüleri; çalışma metodu, hava sıcaklığı ve kullanılacak malzeme cinsine göre değişmektedir. Malzemenin rahat hareketi ve yukarıya çıkan gazın malzeme ile fırın çapı boyunca temasının çok iyi ve düzenli olabilmesi için bu ölçülerin dikkatli belirlenmesi gerekmektedir. Hazne: Fırının alt tarafındaki silindirik kısım olup, içerisinde sıvı demir ve cüruf toplanır. Haznenin üst bölümüne bakırdan yapılmış 22-24 adet üfleme borusu yerleştirilmiştir. Su ile soğutulan bu borular tüyerler yardımıyla fırına hava üflemeye yararlar. Biraz daha aşağıda, yine su soğutmalı bakır borulardan yapılmış olan cüruf akıtma delikleri bulunur. Haznenin en alt kısmında ise ham demirin boşaltılması için kullanılan bir delik vardır. Bu delik her boşaltma işleminden sonra ateşe dayanıklı malzeme ile tıkanır.
Fırının karın kısmının altında bulunan hava boruları (tüyer) ile fırının içerisine sıcak hava verilir. Bu hava boruları fırının etrafını çevreleyecek şekilde, eşit aralıklarla yerleştirilmiştir. Genellikle, yüksek fırınlarda 10-16 adet tüyer bulunur. Fırının etrafını çevreleyen ve içi refrakter tuğla ile örülü simit şeklindeki ana hava borusundan tüyerlere sıcak hava verilir. Bakır ya da bronzdan yapılan tüyerlerin iç çapları 10 ila 18 cm arasında değişir. Çalışma sırasında su ile soğutulan tüyerlerin ömürleri, fırının çalışma koşullarına göre birkaç günden birkaç aya kadar değişebilir.
Fırının üst bölgesinde sıcaklık yaklaşık 200 C dir. Bu bölgede şarj malzemesi ısınır. Malzemeler gaz akımına karşı ters olarak ters olarak aşağıya doğru inerken çeşitli kimyasal reaksiyonlar olur. ve en alt kısımda sıcaklık en yüksek değere çıkar (yaklaşık olarak 1800 C). Ergiyik metal bu hazne bölgesinde toplanır. Hazne bölgesinde üst tarafta bulunan delikten cüruf, daha altta bulunan delikten ise ergimiş metal alınır (yoğunluk farkından dolayı). Kimyasal reaksiyonlar için gerekli olan hava yaklaşık 900-1000 C ve 1-1.5 atm. basınçta fırının orta kısmının hemen altında çevresel olarak dağıtılmış deliklerden üflenir. Fırın içerisindeki hava yukarıya doğru çıkarken bir taraftan kimyasal reaksiyonların oluşumunu sağlar. Diğer taraftan yeni şarj edilen şarj malzemeleri ısıtır. Baca gazları üst kısımdan alınır. Yabancı maddelerden ve tozdan arındırıldıktan sonra hava ısıtma kulelerine verilerek değerlendirilir. Bir Yüksek Fırın tesisinde fırının sürekli çalışması için yan üniteler mevcuttur.
Yüksek Fırın Yardımcı Elemanları *Hammadde Besleme Sistemi (Şarj) *Fırın Üstü Şarj Sistemi (Tepe Teçhizatı) *Sobalar *Gaz Temizleme *Kömür Enjeksiyon Sistemi *Döküm Holü *Kumanda Odası *Soğutma Sistemi & Refrakterler
1-Hammadde besleme sistemi: Fırında kullanılacak hammaddelerin stoklandığı, hazırlandığı ve fırına gönderildiği ünitedir. 2-Fırın üstü şarj sistemi: Bu tertibat sayesinde şarj fırın içine verilebilmektedir. 3-Kömür enjeksiyon sistemi: Pulverize kömür enjeksiyonu (PCI), büyük hacimlerde ve toz halindeki kömürü yüksek fırına üfleme yoluyla besleyen bir prosestir. 4-Sobalar: Sobalar, yüksek fırınlarda kokun yanmasını sağlayan sıcak havanın elde edilmesinde kullanılır. 5-Dökümhane: Dökümhaneler sıvı pik ve cürufun fırından alındığı yerlerdir. Yüksek fırın üretim kapasitesine göre sayıları1 ila 4 arasında değişir. 6-Kontrol odası: Yüksek fırın otomasyon sitemlerinin bulunduğu bölümdür. Sobalar, hammadde sistemi, şarj sistemi gibi yüksek fırınının önemli bölümleri bilgisayarlar ile kontrol edilir ve çalıştırılır. 7-Soğutma sistemi ve refrakterler: Yüksek fırındaki reaksiyonlar sonucu açığa çıkan ısı tüyer önünde (yanma bölgesinde) yaklaşık 2200 oc fırın üstünde (hammaddenin fırına ilk girdiği yerde) yaklaşık 150 oc civarındadır. Sıcak hava sobalarında sıcaklık ise 1250 oc civarındadır. Bu nedenle fırında ve sobalarda sıcaklığa maruz kalan kritik bölgeler soğutulmalıdır.
Fırının şarjı üst kısımdaki çift çan adı verilen bir sistemle gerçekleştirilir. Şarj malzemesi konveyörlerle yukarı alınır ve üstteki küçük çana boşaltılır. Üst çanın açılması ile malzeme ara bölmeye yanı büyük çanın üzerine alınır ve üst çan kapatılır. Daha sonra büyük çanın açılması ile şarj fırına alınmaktadır. Çift çan sistemi sayesinde homojen karışımlı malzemesi şarjı, ön ısıtılması ve yüksek fırının ısıl değeri yüksek sıcak baca gazlarının kaçması engellenmektedir. Sobalar Sistemi: Fırına 1,5 atmosferden daha yüksek bir basınç altında sıcak hava üflenir. Üflenen havanın sıcaklığı 600 C ila 1000 C arasında, miktarı da kullanılan kok miktarına göre değişir. Genelde bir ton kok başına 3000 m 3 sıcak hava kullanılır. Pulvarize Kömür Enjeksiyon Sistemi: Demir-çelik tesislerinde uygulama amacı; *Enerji sarfiyatı ve maliyeti düşürmek, *Yüksek fırının yararlı hacminden daha fazla yararlanarak birim zamandaki üretimi artırmak. Pulvarize kömür enjeksiyon sistemi; 50mm den küçük ebattaki ham kömürün, (-90 mikron) %80, (+90 200 mikron) %20 boyutuna öğütülüp, nem oranı <%1 olacak şekilde kurutularak, yüksek fırına tüyerden enjekte edilmesidir.
Yüksek Fırındaki Reaksiyonları Yüksek fırına hematit şeklinde şarj edilen demir cevherleri manyetit ve Wüstit (FeO) den geçerek Fe'e indirgenirler. Demir oksitlerin indirgenmesinde toplam reaksiyon zayıf ekzotermik özellikltedir. A) Üst Bölge Reaksiyonları: Yüksek fırında üst bölge sıcaklığı 200 C dir. Bu bölgede şarj malzemeleri stok seviyesinden 4-6 metrelik bir mesafe içerisinde hızlı bir şekilde oda sıcaklığından yaklaşık 800 C ye kadar ısıtılmakta ve orta bölgeden gelen gazlar ise yaklaşık 900 C den 100 200 C'e kadar soğuyarak fırını terk etmektedirler. A-1) Demir oksitin indirgenmesi: Teorik olarak fırının üst bölgesinde bulunan gazların indirgenme potansiyeli Wüstit oluşumu için yeterli olduğundan cevher şarj edilir edilmez Hematit ve Manyetit indirgenmeye başlar. İndirgenmenin gerçek miktarı bölgenin gerçek alanına, gaz çıkış şiddetine, cevherin tabiatına ve parça büyüklüğüne bağlıdır. Eğer parça büyüklüğü fazla, gözenekliliği az ise; en dış yüzey kabuk şeklinde Wüstite dönüştüğü halde iç kısım hala hematit olarak kalacaktır. Çok iyi hazırlanmış şarj malzemeleri ile çalışan model yüksek fırınlarda bile Hematit ve Manyetit 'in Wüstit'e dönüşmesi tamamlanmaz. Manyetit 700 900 C de Wüstite indirgenir. İndirgenme Reaksiyonları 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO = 3 FeO + CO 2 FeO + CO = Fe + CO 2
A-2) Buharlaşma: Cevher, kireçtaşı, kok ve diğer şarj malzemelerinin rutubetli olarak fırına şarjı ile gelen rutubet (su), bu bölgede buharlaşır. Zaman zaman fırın tepe sıcaklığını düşürmek için bilinçli olarak su ilave edilebilir. Suyun buharlaşması ile kg su başına yaklaşık 590 kcal enerji tüketilir. Kok ve cevherin ortalama nem miktarı yaklaşık % 5 tir. Genelde kok kömürde % 1,5 2 uçucu madde içermektedir. Bu maddelerde bu bölgede buharlaşırlar. A-3) Hidratların ayrışması: Şarj malzemeleri bünyesinde kristal bağlı su H 2 O veya hidrasyon suyu (OH) 2 bulunabilir. Bünyede bulunan hidrasyon suyunun buharlaşma ısısına ilaveten kimyasal bağlarını koparmak için ısıya ihtiyaç vardır. Demir oksit hidratlarının bozunması 300 C de başlar ve daha yüksek sıcaklıklarda devam eder. A-4) Su - Gaz Reaksiyonları: 300-400 C sıcaklığın üzerinde açığa çıkan su CO ile reaksiyona girerek CO 2 ve H 2 gazlarını üretir. CO + H 2 O = CO 2 + H 2 Fırının üst kısmında gerçekleşen bu reaksiyon termodinamik olarak mümkün olmakla beraber sıcaklığın 800 C olduğu orta bölgede daha iyi gerçekleşmektedir.
A-5) Karbon Çökelmesi: Termodinamik olarak CO den C (karbon) çökelmesi aşağıdaki reaksiyon ile gerçekleşir. 2CO = CO 2 + C (Boudouard Reaksiyonu) Bu reaksiyon büyük miktarda ısı veren ekzotermik bir reaksiyondur (42210 cal). Reaksiyonun ekzotermik tabiatından dolayı C oluşumu düşük sıcaklıklarda tercihli olarak meydana gelir. Boudouard Reaksiyonu yüksek fırının çalışması açısından ekonomik önem arzetmektedir. Bu reaksiyon 450-500 C arasında genellikle fırının üst bölgesinde meydana gelir. 2 mol CO, l mol CO 2 den üretildiğinden Boudouard Reaksiyonu yüksek fırında basınca bağlıdır. Basınç arttıkça herhangi bir sıcaklıkta CO 2 % 'si artacaktır. Normal olarak yüksek firında CO+CO 2 nin ortalama kismi basıncı 0,6-0,7Atm. dir. En fazla istikrarsızlık 600-800 C arasındadır. 400 C'nin altında reaksiyon hızı düşmektedir. Çöken C grafit ve sementitten ibarettir. Cevher sinter ve pelet yüzeyleri ile gözeneklerinde refrakter tuğlaların ek yerlerinde reaksiyonu katalize edecek aktif bir yüzey varsa C çökelmesi bu bölgelerde oluşacaktır. C çökelmesinin bazı avantajlarıda vardır. H 2 + CO = C + H 2 O
A-6) Karbonatların bozunması: Metal karbonatlar cevher bünyesinde var oldukları gibi ayrıca cüruf ihtiyacı için de ayrıca ilave edilirler. Karbonatların bozunma basıncı (P CO2 ) sıcaklık yükseldikçe artar. Ca haricindeki karbonatların bozunma sıcaklığı 500 C nin altındadır. İşlem görmemiş cevherin kullanıldığı yüksek fırınlarda bu karbonatlar fırının termal yükünü arttırırlar. Ancak modern tesislerde sinter ve pelet kullanımının artması hatta kireç taşının kalsine edilerek kullanılması bu konuyu önemsiz hale getirmiştir. B) Orta Bölge Reaksiyonları Bu bölge üst bölgenin altında tüyer seviyesinin 3-5 m üstüne kadar olan bölgedir. Orta bölgenin sıcaklığı 800 ile 1000 C arasındadır. Boyutlandırılmış malzeme ile homojen gaz dağılımına sahip modern fırınlarda fırının orta bölge yüksekliği önemli olup fırının gövde yüksekliğinin %50-60'ını (gövde hacmininin % 75'ini ) bu bölgenin yüksekliği teşkil ederler. Bu bölgede Wüstit ham demire redüklenir. Ancak hala ortamda redüklenmemiş FeO (wüstit) bulunmaktadır. CaCO 3 'ın parçalanması da bu bölgede gerçekleşmektedir. Demir cevherinden Wüstit ve ham demire dönüşüm indirekt redüksiyon ile gerçekleşmektedir. C) Alt Bölge Reaksiyonları: Alt bölgenin sıcaklığı 1000 C 'nin üzerindedir. Bu bölge tüyer seviyesinin 3-5m üzerinden hazne tabanına kadar olan kısımdır. Kireç taşının kalsinasyonu, indirgenmemiş Wüstit ve silikatların indirgenmesi Si, Mn, P, S, Alkaliler, Pb, Zn, Cr ve küçük miktarda Al ve Ti 'un doğrudan indirgenmesi gibi kimyasal olaylar bu bölgede olmaktadır.
C-1) Kireç taşının kalsinasyonu: CaCO 3 = CaO+ CO 2 ΔH = 43350cal/mol Kireç taşı, şarj malzemesindeki asidik karekterdeki maddelerin flakslanması (cürufta toplanması) için kullanılmaktadır. Kireçtaşının bozunması endotermiktir. Ham kireçtaşının (CaCO 3 ) yüksek fırında kullanılmasının üç olumsuz etkisi vardır; *Endotermik parçalanma reaksiyonun gerektirdiği enerji açığını karşılamak için fazladan yakıt ihtiyacı, *Doğrudan indirgenmenin artmasından dolayı yakıt ihtiyacı artar, *Oluşan CO 2 den dolayı fırın içi gazların konsantrasyonu düşer. C-2) İndirgenmemiş demir oksitin indirgenmesi: İndirgenmemiş FeO 'in büyük bir kısmı fayalit (FeO SiO 2 ), kalsiyum ferrit veya önceden teşekkül etmiş cürufla karışmış bir şekilde alt bölgeye inerler. İdeal olarak hazneye gelmeden önce tüyer seviyesinin üzerinde FeO'in tamamının indirgenmiş olması gerekmektedir. Aksi takdirde bunların hazne içerisinde kok kütlesi tarafından doğrudan indirgenmesi çok büyük miktarlarda ısı tüketeceğinden haznenin termal dengesini bozarak metal sıcaklık ve kompozisyonunda aşırı kararsızlıklara sebep olacaktır. Asidik karakterdeki sinterde bulunan veya cevherden fırın içinde teşekkül eden fayalit (FeO.SiO 2 ) yüksek sıcaklıklarda bile kolaylıkla indirgenmez. İndirgenmemiş Demir Oksitin indirgenmesi ise FeO + CO = Fe + CO 2 ile olur.
C-3) Silisin (SiO 2 ) İndirgenmesi: Silisin hazne bölgesindeki indirgenmesi çok yüksek sıcaklıklarda aşağıdaki reaksiyona göre gerçekleşir; SiO 2 + 2C= Si + 2CO ΔH = 157400 cal/mol. Bu reaksiyonun hızı nispeten yavaştır ve endotermiktir. Çok yüksek sıcaklıklarda meydana gelir. Ancak sıcaklıktaki artışla reaksiyonun hızı da artar. Sıcak metal içinde (ham demir) çözünen silisin miktarı, metalin sıcaklığı ile yakın alakalıdır. C-4) Manganın İndirgenmesi: Yüksek fırında gövdenin üst kısımlarından şarj aşağıya doğru inerken oluşur. Manganın bazı oksitleri aşağıdaki reaksiyonlara göre CO ile redüklenirler; MnO 2 + CO = MnO + CO 2 Mn 3 O 4 + CO= 3MnO + CO 2 ΔH = -35350 cal/mol ΔH =-12250cal/mol Fakat gövdedeki sıcaklıklarda MnO, ne CO ile nede H 2 ile redüklenmektedir. MnO'in redüklenmesi ancak aşağıdaki reaksiyonla gerçekleşir; MnO + C = Mn + CO ΔH = -65600 cal/mol Bu reaksiyon ancak yüksek sıcaklıklarda meydana gelir ve büyük miktarlarda ısı alır. Genellikle şarj edilen Mn'ın %65-75 'i redüklenebilir (ham demire gider). Redüklenen metalik mangan sıvı ham demir içinde çözünürken redüklenmeyen kısım cürufta kalır. Mn ve Si'in büyük oranlarda indirgenebilmesi için daha sonraki çelik üretim kademelerinde çok yüksek sıcaklıklar gereklidir.
C-5) Fosforun İndirgenmesi: Fosforun indirgenmesi aşağıdaki endotermik reaksiyon ile gerçekleşir; P 2 O 5 + 5C = 2P + 5CO ΔH = 238000 cal/mol Bu indirgenme olayı çok yüksek sıcaklıklarda meydana gelmektedir. Mn ve Si 'un aksine fosfor penta oksitin hemen hemen tamamı indirgenebilir. Bu yüzden şarjdaki fosforun hemen hepsi metal içinde çözünmektedir. C-6) Kükürdün Giderilmesi: Kükürt yüksek fırına genellikle kok ile birlikte gelir. CO ve S 'ün bir bileşiği olan COS olarak yüksek fırın gazına karışır. Bu gaz gövde içinde yükselirken S 'ün bir kısmı flakstaki kireç ile bir kısımda Fe ile birleşir. FeO + COS = FeS + CO 2 ΔH= - 19150 cal/mol Fe ile birleşen S hazne bölgesinde çok yüksek sıcaklıklarda giderilmektedir. Bu da CaO gibi bazik bir flaksın mevcudiyetinde endotermik bir reaksiyonla FeS + CaO + C = Fe + CaS + CO ΔH= 43600 cal/mol şeklinde gerçekleşir. Kükürdün giderilme derecesi haznenin sıcaklığına ve cüruftaki CaO, MgO gibi bazik oksitlerin, SiO 2 ve A1 2 O 3 gibi asidik oksitlerin oranına bağlıdır.
C-7) Zn, Pb, Ti ve Alkalilerin Giderilmesi: Çinko yüksek fırın prosesinde çok zararlı bir elementtir. Zn'nun bileşikleri gövdenin alt kısmında indirgendiğinde gaz fazına geçip yükselirler ve oksitlenerek ZnO meydana getirirler. Bu oksit fırın duvarlarına yapışarak gazların akışını büyük oranda menfi yönde etkiler. ZnO aynı zamanda ateş tuğlalarındaki A1 2 O 3 ile birleşerek tuğlaların genleşmesine ve bozulmasına yol açmaktadır. Birçok cevher Zn ile beraber bir miktarda Pb ihtiva ederler. Pb, Fe içerisinde çözünmez. Daha aşağıya doğru akarak hazne tabanında toplanır ve refrakter astara nüfuz ederek onu tahrip eder. Titanyum ise TiO 2 veya ilmenit (FeTiO 3 ) olarak fırın şarjı içinde bulunur. Şarjdaki TiO 2 % 2' nin altında ise bunun yaklaşık %50-60'ı cürufa gider, geri kalanı da indirgenerek demire geçer. Cüruftaki TiO 2 %1,5 seviyesini geçerse cüruf çok viskoz olur ve fırının çalışma şartlarını düzensizleştirir. Alkaliler (Na, K gibi) ise hemen hemen bütün yüksek fırın cüruflarında bulunurlar. Hammaddede büyük oranda mevcut iseler gaz haline geçerek refrakter astara zarar verirler.
Yüksek fırın yüksekliği boyunca gaz ve katıların ideal sıcaklık dağılımları, kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği 3 ana reaksiyon zonu; Ön ısıtma zonu, İndirek Redüksiyon Zonu, Direk redüksiyon Zonu.
Yüksek Fırın Refrakterleri Yüksek fırının içinin refrakter ile kaplanması yüksek fırın dış kaplama sacının sıcaklık ve kimyasal reaksiyonlardan koruma amaçlıdır. Ayrıca dış kaplama yüzeyi soğutulduğu için fırın içeresinde ısı dengesini bozmayacak şekilde yalıtma görevini üstlenmelidir. Genel olarak yüksek fırın refrakterleri için aşağıdaki, kriterler geçerlidir: * Sabit hacim * Aşınma ağırlık ortamda çalışma kabiliyeti * Yüksek yoğunluk, düşük porozite * Termal şoklara karşı yüksek dayanım Minerolojik bileşime göre farklılık gösteren refrakter malzemeler şunlardır: * Şamot * Karbon Esaslı Tuğlalar * Grafit Esaslı Tuğlalar * Korund (Al 2 O 3 ) * Müllit (3 Al 2 O 3 2SiO 2 ) * Silimanit (Al 2 O 3 2SiO 2 ) * Farklı Şekilde Bağlanmış Silisyum karbür (SiC)
Yüksek Fırın Refrakterlerinin Aşınma Nedenleri
Yüksek Fırında Verim Artırıcı İşlemler: Yüksek fırın prosesinde verim artırmak için geliştirilen bazı modern teknikler mevcuttur. Bunlar sırası ile: Yüksek sıcaklıkta hava üfleme ve üflenen havanın içindeki su buharının kontrolü (rutubet ilavesi) Yakıt enjeksiyonu Üflenen havayı oksijenle zenginleştirme Yüksek basınç işlemi Şarj malzemelerinin kullanışlı hale getirilmesi. Diğerleri ise; Yüksek fırının bilgisayarla kontrol edilmesi. Otomatik yükleme + harmanlama, sıcaklık ve basınç kontrolleri bilgisayarlar ve PLC kontrol ünitesi ile yapılmaktadır.
1) Yüksek sıcaklıkla hava üfleme ve üflenen havanın içindeki su buharının kontrolü Üflenen havayı ısıtmada yüksek fırın verimliliğinin arttığı fakat aşırı sıcaklıklarda fırının düzensiz çalıştığı gözlenir. Üflenen hava çok sıcak olursa alev sıcaklığı gerekenden daha yüksek olmaktadır. Eskiden 700 800 C olan hava sıcaklığı 1000 1300 C civarında üflenerek koktan tasarruf sağlamaktadır. Daha az kok yüklenmesi ile kokun hacimce azalması ile daha fazla Fe cevheri şarj edilebilmektedir. Hava içerisine su buharı karıştırılarak alev sıcaklığının kontrolü ve fırının daha düzenli çalışması sağlanmaktadır. Üflenen hava ne kadar sıcak olursa hava içerisine o kadar fazla su buharı katmak gerekmektedir. Alev sıcaklığını düzenlemenin yanı sıra nemli hava kuru havaya nazaran daha fazla redükleyici gaz meydana getirmektedirler. İlave edilen rutubet fırın ortamına girer girmez buharlaşarak bir buhar fazı teşkil eder ve bir film tabakası şeklinde refrakter yüzeyini koruyucu bir tabaka olarak yer alır. Ayrıca redükleyici bir gaz olan H 2 gazı ortaya çıkması da çok büyük fayda sağlar. Kok tüketimi azalır. H 2 O(s) = H 2 O (g) H 2 O = H 2 + 1/2O 2 ΔH = 10500 endotermik ΔH = 57800 endotermik
2) Yakıt enjeksiyonu: Daha yüksek sıcaklıkta hava üfleme arttıkça alev sıcaklığını kontrol etmek bir problem oluşturmaktadır. Eğer yüksek fırın tüyerlerinden doğal gaz, toz halde koklaşmayan kömür, soğuk hidro karbonlu yakıtlar enjekte edilirse hem alev sıcaklığı kontrol edilebilmekte hem de şarj edilmesi gereken kok miktarı azalmaktadır. Bu amaçla doğal gaz, kok fırın gazı, fuel oil, toz kömür ve katran kullanılmaktadır. 3) Üflenen havayı oksijenle zenginleştirme Yüksek fırında ham demir üretiminde yakıtın daha iyi bir şekilde yanması için yapılan oksijen ilavesi alev sıcaklığını yükseltmektedir. Üretim hızında bir artış sağlanmasına karşılık alev sıcaklığı arttığında bu sıcaklığı su buharı, hidro karbon ve yakıtlar ile kontrol etmek gereği ortaya çıkmaktadır. Yüksek fırınlarda normal olarak % 25 oranında oksijenle zenginleştirilmiş hava üflenebilmektedir. Böylece üflenen hava içindeki N 2 miktarını azaltıp oksijeni çoğaltarak kok tasarrufu sağlanmaktadır. Çünkü N 2, gazı aldığı sıcaklık ile yanmadan Yüksek fırından çıkarak ısı kaybına neden olur. N 2 daha az olursa daha az ısı alır ve ısı verimliliği artar.
4) Yüksek basınç işlemi Tüyerlerden üflenen havanın basıncını sınırlayan şartlardan bir tanesi yakıtın yanması ile yukarıya doğru çıkan büyük hacimdeki gazların oluşturduğu kaldırma etkisidir. Bu kaldırma etkisi normal olarak şarjın aşağıya doğru inmesini önler ve üretimde çok kayba yol açar. Üretim hızını artırmak için çıkan gaz basıncını arttıran kapaklar kullanılmaktadır. Basınçtaki bu artış bütün sistemdeki gazları sıkıştırır ve daha fazla miktarda havanın üflenebilmesini sağlar. 5) Şarj malzemelerinin kullanışlı hale getirilmesi Kok kalitesini artırmak için kömür yıkanarak kül ve S uzaklaştırılmaya çalışılır. Kok mukavemetini artırmak içinde çeşitli kömürler karışım halinde kullanılmaktadır. Cevherlerin ince tozları ise sinterleme ve peletleme gibi aglomerasyon işlemleri ile daha elverişli hale getirilmektedir.
Demir üretiminde, 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 Yüksek Fırın Ürünleri: Sıvı ham demir(pik) Cüruf Baca gazı =Yüksek Fırın Sobaları(Hot stoves) Pik kompozisyonu C 4,5 Si 2,3 3,0 Mn 1,7 2,0 S 0,05 P 0,15 1 ton üretilen ham demire karşılık 200 400 kg civarında cüruf elde edilmektedir. Örnek cüruf kompozisyonu SiO 2 30 35 CaO 35 45 Al 2 O 3 10 15 MgO 2 10 MnO 0,1 1,2 FeO 0,2 0,4 S 1 2 Baca gazı kompozisyonu Azot % 56 57 Karbon monoksit % 22 27 CO Karbon dioksit % 13 16 CO2 Hidrojen % 3 5
Yüksek Fırında Üretim Hesapları Soru 1: Bir yüksek fırında aşağıdaki bileşime sahip cevher, flaks ve kok yüklenerek pik demir elde edilmektedir. 1 ton ham demir eldesi için 550 kg flaks ve 600 kg kok kullanıldığına göre ; a)yüklenen cevherin ağırlığını b)cüruf ağırlığını ve % bileşim dağılımını bulunuz. Cevher Flaks Kok Pik demir % 60 Fe 2 O 3 % 93 CaCO 3 % 90 C % 94 Fe % 30 SiO 2 % 7 SiO 2 % 10 SiO 2 % 4 C % 10 Al 2 O 3 % 2 Si (Fe=56 gr/mol C=12 gr/mol O=16 gr/mol Si=28 gr/mol Ca=40 gr/mol Al=27 gr/mol CaO=56 gr/mol Fe 2 O 3 =160 gr/mol CaCO 3 =100 gr/mol SiO 2 =60 gr/mol)
a)1000. 0.94=940 kg 1 mol Fe 2 O 3 (160gr) 256=112 940 (160/112) =1343kg Fe 2 O 3 =2238 kg cevher kullanılmalı b) SiO 2 Al 2 O 3 - CaO SiO 2 = Cevherden Flakstan Koktan Pike giden Si = (2238 0.3) (550 0.07) (600 0.10) (1000 0.02 ) = 671 38,5 60 42,85 = 727 kg SiO 2 CaO Flakstan 550 0,93 (56/100) = 286 kg CaO Al 2 O 3 cevherden 2238 0.10 = 223,8kg Toplam Curuf= SiO 2 CaO Al 2 O 3 = 727 286223,8 = 1237 kg SiO 2 %58,7 CaO %23,1 Al 2 O 3 % 18,1
SiO 2 Soru 2: Aşağıda verilen bileşimlere sahip cevher, 600 kg kok ve flaks şarj edilerek 1000 kg ham demir elde edilmektedir. Oranı 2 olacak şekilde bir oranı tutturabilmek için a)cevher miktarını b)flaks miktarını CaO 3 c)cüruf bileşimlerinin miktarını ve dağılımını bulunuz. Cevher Flaks Kok Pik demir % 65 Fe 2 O 3 % 95 CaCO 3 % 88 C % 94 Fe % 15 SiO 2 % 5 SiO 2 % 10 SiO 2 % 4 C % 10 CaO % 2 CaO % 2 Si % 10 MnO