Çelik Üretim Metotları - Bessemer Thomas çelik üretim metodu - Siemens - Martin çelik üretim metodu - Bazik oksijen konvertörlerinde çelik üretimi - Elektrik ark ocaklarında çelik üretimi Bu üretim metotlarından bazıları gönümüzde önemini yitirmiş olup daha çok çelik üretimi yeni üretim teknikleriyle gerçekleştirilmektedir. 2002 yılı itibariyle bütün dünyada üretilen yaklaşık 1 milyar ton çelik üretiminin % 60 ı Bazik Oksijen Konvertörlerinde, % 33,9 u Elektrik Ark Ocaklarında, % 3,8 i Siemens- Martin ocaklarında ve % 2,2 si ise diğer üretim metotlarıyla üretilmektedir. 1 2 2011 yılında, dünya ham çelik üretiminin % 69.5 oranındaki bölümü BOF, % 29.2 oranındaki bölümü EAO tesislerinde gerçekleştirildi. Toplam ham çelik üretiminin, % 95 oranındaki kısmı sürekli döküm yöntemi ile üretildi. 2002 yılı itibariyle Türkiye de üretilen toplam 16,5 milyon ton çelik üretiminin % 31,2 si bazik oksijen konvertörlerinde, kalan % 68,8 i ise elektrik ark ocaklarında üretilmektedir. Türkiye'nin 2010 yılı sonu çelik üretimi toplam 30 milyon ton olup, bunun yaklaşık % 30 u bazik oksijen konvertörlerinde (9 milyon ton), kalan % 70 i ise elektrik ark ocaklarında (21 milyon ton), üretilmektedir. 3 4 Bessemer Çelik Üretimi Metodu Bessemer Thomas Çelik Üretimi Metodu Bu metot hemen hemen aynı senelerde İngiliz Henry Bessemer ve Amerikalı William Kelly tarafından bulunmuştur. Henry Bessemer 1850-1855 yılları arasında sıvı pik demire hava üfleyerek çelik elde etmeye çalışmış ve 1855 de armut şeklinde bir konvertör kurarak alttan hava üflemek suretiyle çelik üretim patentini almıştır. 5 6 1
Amerikalı William Kelly de uzun çalışmaları sonucunda 1856 senesinde Bessemer in patentine benzer bir patent almıştır. Bu metot en büyük keşiflerden biri olarak kabul edilmektedir. Bessemer metodu, yüksek karbonlu pik demirden düşük maliyetle düşük karbonlu demir alaşımları üretimini sağlayan ilk metottur. 7 8 Bu metodun geliştirilmesinden sonra dünya çelik üretiminde önemli bir artış olmuştur. Sir Henry Bessemer 1813-1898 Keşfi sanayi ve medeniyette bir dönüm noktası olmuş ve gerçek çelik devri Bessemer metodunun keşfi ile başlamıştır. 9 10 Bessemer konvertörü, üstü kesik koni biçiminde silindirik bir kaptır. Konvertörün tabanında metal banyosuna basınçlı hava üflemek için delikler (tüyerler) vardır, tabanın altında ise hava kutusu bulunur. 11 12 2
Konvertör yatay bir eksen etrafında 180 kadar dönebilecek şekilde 2 yatak üzerine oturtulmuştur. Bessemer, geliştirdiği konvertörde SiO 2 astar (refrakter) kullanmıştır. esaslı asidik Bu yataklardan birine bağlanmış otomatik vana vasıtasıyla basınçlı havanın fırına verilmesi sağlanır. Konvertör eğilerek yüksek fırından alınan sıcak sıvı pik demir konvertörün ağzından boşaltılır, hava açılır ve dikey konuma getirilir. I. periyod: İlk kademede fırının ağzında hiç alev görülmez. Bu sürede erimiş pik demir ile temas eden soğuk hava demiri FeO şeklinde oksitler ve FeO banyo içinde dağılarak silisyum ve manganezi oksitler. 13 14 2Fe + O 2 2FeO 2FeO + Si 2Fe + SiO 2 FeO + Mn Fe + MnO [Fe-C] + {O 2 } [Fe] + {CO } Bu reaksiyonlar ısı verici olduklarından banyonun sıcaklığını oldukça yükseltir. SiO 2, MnO ve bir miktar FeO birleşerek cürufu meydana getirir. 15 16 II. periyod: Manganez ve silisyumun büyük bir kısmı oksitlendikten sonra karbon yanmaya başlar. 2C + {O 2 } 2{CO } CO konvertörün ağzına geldiği zaman yanarak CO 2 meydana getirir ve uzun bir alev oluşturur. Bu alev azaldığı zaman konvertör devrilir, hava kesilir ve çelik potaya alınır. Önceleri çeliği sıvı halde tutmayı başaramayan fırınlar bu yöntemle hem istenmeyen maddeleri yakmayı hem de bu yanan maddelerden açığa çıkan enerji ile çeliği sıvı halde tutabilmeyi başarmıştı. Önceleri çok uzun ve pahalı olan çelik elde etme yöntemi artık hızlanmış ve daha ucuz hale gelmiş bu sayede çelik kullanımı da üretim sektöründe yerini almıştı. 17 18 3
19 20 Bu yöntemde, ham demirde çok miktarda silisyum az miktarda fosfor ve kükürt bulunması istenir. Silisyum bu yöntemin ısı üreticisidir. Asidik bir cüruf halinde yanar. Bu nedenle fosfor ve kükürdü bağlayamaz. Fırının duvar yapısı da asidik kuvars esaslı refrakterlerden meydana gelmiştir. Bu yöntem yakın bir zamana kadar Almanyada bazı çelik dökümhanelerinde küçük konvertörler içerisinde uygulanmıştır. Bessemer yönteminin avantajları Bu yöntem ile kısa sürede (15 dk) çok miktarda çelik üretmek mümkündür. Pik demirin bünyesindeki yabancı maddeler (karbon, manganez, silisyum) süratle yok edilebilir. Bessemer yönteminin dezavantajları Hurdanın ergime sıcaklığının yüksek olması nedeniyle bu yöntemde hurda işlenemez. Yüksek oranda kükürt ve fosfor içeren pik demirden bu yöntemle çelik üretilemez. 21 22 Henry Bessemer'in bulmuş olduğu Sidney Gilchrist Thomas Metodu fırın sayesinde çelik üretimi hızlanmış ve artmış olsa da yakmayı başaramadığı fosfor ve kükürt, çeliğin istenilen özelliklerde elde edilmesini zorlaştırıyordu. 23 24 4
Bu durumu 1850-1885 yılları arasında yaşamış yine İngiliz mucit Sidney Gilchrist Thomas, 1876 yılında Bessemer konvertöründe kullanılan asidik refrakter yerine bazik dolomit refrakter kullanarak bu sorunu ortadan kaldırmış ve ham sıvı demiri büyük ölçekte yakmayı başarmıştır. Bu yöntemde, hava üflenmeden önce, cürufun bazik olması için şarj edilen pik demirin % 15-20 si kadar kireç ilave edilir. Üfleme sırasında Mn, Si ve C tamamen oksitleninceye kadar P oksitlenmez. 4P + 5O 2 ------------------ 2P 2 O 5 Pik demirin içerisinde bulunan P un oksitlenmesiyle oluşan P 2 O 5, ilave edilen CaO ile birleşerek kalsiyum fosfat halinde cürufa geçer. 25 26 [Fe-P] + {O2 } + <CaO> ------------------ [Fe] + (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) Sıvı metal gaz Metalik olmayan katı sıvı metal cüruf Cüruf => Gübre, Thomas tozu Diğer reaksiyonlar: [Fe-S] + {O 2 } + <CaO> [Fe] + (CaS) [Fe-Si] + {O 2 } + <CaO> [Fe] + (CaSiO 3 ) Thomas yönteminin avantajları Kısa üfleme süresi içerisinde sisteme enerji vermeden büyük miktarlar işlenebilir. Fosforun oksitlenerek ayrılması nedeniyle çeliğin gevrekliği önemli ölçüde giderilir. Thomas cürufu iyi bir gübredir. Thomas yönteminin dezavantajları Üretilen çeliğin şekillenme kabiliyeti çok sınırlıdır. Bu yöntemle hurda işlenemez. 27 28 Şekil 1. Bessemer Thomas konvertörünün şekli 29 30 5
Üflenen hava sıvıyı karıştırma vazifesi de gördüğünden, reaksiyonlar çok çabuk oluşur. Bessemer-Thomas usulündeki kısa üfleme süresinin nedeni budur. Fırının dış cephesi çelik konstrüksiyon olarak yapılmış iç kısmı ise yüksek sıcaklıklara mukavim refrakter tuğlalarla (bazik) örülmüştür. Hava üflenmeden önce fırın içine katı kireçtaşı ilave edilir. Böylece; karbon, silis, mangan gibi fazla istenmeyen malzemeler üfleme işlemi sırasında oksitlenerek cüruf haline getirilir. 31 32 Üfleme tamamlandıktan sonra sülfür ve fosforun bir kısmı cürufa geçerken bir kısmı da yanar. Bu sırada % 15 oranında demirde oksitlenip cürufa geçer. Bu metotla elde edilen çelik istenilen kalitede olmayıp içindeki azot (N 2 ) miktarı fazladır. [Fe-P] + {O 2 } + <CaO> ------------------ [Fe] + (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) [Fe-S] + {O2 } + <CaO> [Fe] + (CaS) [Fe-Si] + {O2 } + <CaO> [Fe] + (CaSiO 3 ) Bu nedenle dünyada bu metotla çelik üretimi yavaş yavaş terk edilmektedir. 33 34 Siemens Martin Çelik Üretim Metodu Bessemer metodunun keşfinden hemen sonra William Siemens fırın sıcaklığını arttıran rejeneratif sistemi bulmuş ve 1860-1870 yılları arasında bu sistemi çelik fırınlarına uygulamıştır. Rejeneratif sistemde, gaz yakıt ve hava fırında birleşip yanmadan önce içi refrakter tuğlalarla örülü kamaralarda ısınmakta ve fırında yanan gazlar bacaya gitmeden önce fırının diğer tarafındaki kamaralardan geçerek bunları ısıtmaktadır. 35 6
Siemens, çelik yapmak için fırınında önceleri çelik hurdaları eritmiştir. Daha sonra pik demiri ve demir cevheri kullanarak çelik üretmiştir. A. Gaz ve hava girişi B. Isıtma odası (kamara) {sıcak} C. Erimiş sıvı metal D. Hazne E. Isıtma odası (kamara) {soğuk} F. Gaz ve hava çıkışı Siemens den hemen sonra, Pierre Martin adında bir Fransız pik demiri ve çelik hurdası kullanmak suretiyle Siemens metodunu değiştirmiştir. Modern uygulamada; çelik hurdası, pik demir ve demir cevheri kullanıldığından Siemens Martin Çelik Üretim Metodu denilmektedir. 37 38 Bessemer-Thomas yönteminde, endüstriyel üretimin % 5'i veya daha fazlası fire olarak atılıyordu. Çelik, sabit veya yana devrilebilir 100-300 tonluk fırınlarda ergitilir. Ayrıca, her yıl milyonlarca ton makine parçasının hurdaya çıkması da hurdaların kullanılmasını mecburi kılmıştır. Fırın, büyük bir yüzey ve küçük banyo derinliğine sahiptir. 1864'te geliştirilen Siemens Martin yönteminde % 100'e kadar istenilen her oranda hurda kullanılabilmektedir. Gaz yakıtla ısıtılır. 39 40 Önceden ısıtılmış gazın, yine önceden ısıtılmış hava ile yakılması sonucu oluşan bir alev gerekli ısıyı üretir ve 1700 o C a varan bir sıcaklık verir. Alev, hammaddeyi yalayarak ergitir ve ergimiş çelik potaya akıtılır. Ön ısıtma, fırının hemen yanındaki kamaralarda sıcak baca gazları ile olur. Atık gazlar 41 42 7
Bu fırınlarda yakıt olarak; kok gazı, doğal gaz, yüksek fırın gazı, pulverize kömür, fuel-oil ve katran kullanılabilir. Fırın, fuel-oil ve katran gibi gaz olmayan bir yakıtla ısıtılacağı zaman sadece hava ısıtılır (her iki tarafta havayı ısıtmak için birer kamara yeterlidir). Modern tesislerde daha ekonomik olduğu için kok fırını gazı yüksek fırın gazı ile karıştırılarak kullanıldığı için her iki tarafta birer ısıtma odası (kamara) gerekir. Kuvvetli parlayan alev, tavana zarar vermemesi için sıvı üzerine eğik olarak gelir. Şarj yapılan taraftan açılan kapıdan hurda, cevher ve ham demir yüklenir. 43 Fırın önce üçte bir kapasite hurda malzeme ile doldurulur, kireçtaşı ilave edilerek 3 saat üstten ısıtılır. Bu şekilde oksitleyici aleve (kok gazı, katran) tabi tutulur, daha sonra sıvı pik demir içeri dökülürek fırın kapasitesine çıkılır. Çelik için istenilen analize erişildikten sonra fırından alınır. Çeliğin cinsine ve bileşimine bağlı olarak sıcaklık 1600 C civarındadır. Akıtma işlemi, diğer kenardan akıtma deliğinden potaya yapılır. 44 Fırındaki bütün çelik potaya dolduktan sonra fırından akmaya devam eden cüruf, potanın üst kısmında bulunan bir oluk vasıtasıyla cüruf potasına aktarılır. Çelik içerisinden cüruf ayrımı, potalardan çelik taşırılarak üste toplanan cürufun başka bir potaya aktarılması ile sağlanır. Bessemer ve Thomas yöntemlerine göre daha kaliteli çelik üretilebilir. Alaşımlı çelik üretmek de mümkündür. Fakat alev sıvı metalle temas ettiği için alaşım elemanlarının yanma yoluyla azalması söz konusu olur. 45 46 Bazik yöntemle üretimde hammadde olarak demir cevheri, hurda çelik ve kireçtaşı kullanılır. Cevherdeki yabancı maddeler kireçtaşıyla birleşerek bazik bir cüruf oluşturur. Asidik yöntem daha az kullanılır ve silisli refrakterlerden ötürü asidik bir cüruf meydana gelir. 250 ton kapasiteli tipik bir Siemens-Martin fırınını; 15 m boyunda, 6 m genişliğinde ve 1 metre derinliğindedir. Her devre 8-10 saat sürer. 47 48 8
Fırın içerisindeki refrakter tuğlalar 1- Bazik refrakterler; genellikle dolomitten [CaCO 3. MgCO 3 ] yapılır. 2- Asidik refrakterler; SiO 2 den hazırlanır. Demir içerisinde fazla fosfor varsa, çeliği temizlemek için fosforun yakılması gerekir. 49 50 Dolayısı ile S.M. fırınlarında içinde fosfor ve kükürdü düşük olan pik kullanılır. Yani pik demir içinde fosfor ve kükürt fazla ise bazik karakterli refrakterler kullanılmalıdır. Bunların yanında karbon, Silis ve Manganda yanarak oksitlenir. Siemens-Martin ocaklarına % 100 e kadar hurdaşarj edilebilir. Fırın içine yüklenen maddeler 1- Hurda çelik 2- Ergimiş pik demir 3- Katı pik demir 4- Cüruf yapıcı (kireç taşı) 5 tipşarj vardır: a) Tamamen sıvı pik demir, b) Sıvı pik demir ve sıvı çelik, c) Hurda çelik ve sıvı pik demir (bir miktar katı pik demir ile), d) Hurda çelik ve katı pik demir, e) Hurda çelik. 51 52 Siemens-Martin Ocaklarında Çelik Üretimi 53 54 9
Kimyasal olaylar Reaksiyonların gerçekleşmesi için oksijenin bulunabileceği kaynaklar: Şarjın ısıtılması sırasında meydana gelen tufal, hurdaların üzerindeki pas, Kireçtaşının parçalanması ile oluşan CO 2, Fırına verilen havanın oksijeni Cüruftaki oksitleyici oksitler (FeO, MnO) Demir cevherleri, sinter, pelet Üfleme periyodunda tekrardan karbon monoksit gazı teşekkül eder. FeO + C Fe + CO Korbonmonoksit gazı sıvı içerisinde yükselerek banyoda kaynamaya sebep olur. Bu sırada çözünmüş gazlar da yerlerinden sökülürler. Hareket halindeki hava, cüruf tabakası ve çelik banyosunun temas ettiği yüzeyde oluşan reaksiyonları hızlandırır. Karbon miktarı yavaş yavaş azalır. 55 56 Fosfor başlangıçtan itibaren sistemden alınır ve çelik içerisinde, Thomas çeliklerine göre daha düşük değerlere indirilir. Bu işlemler sırasında banyoda halen karbon mevcuttur. İstenilen karbon miktarına varıldığında alev kısılır ve banyoda mevcut olan demir oksitin uzaklaştırıldığı temizleme periyodu başlar. Alev artık yeni demir oksit üretmemelidir. Kükürdün uzaklaştırılması zor olduğundan, fırın şarjı ve yakıt içerisinde kükürt olmaması gerekir. 57 Birşarjın işlenme süresi 8-10 saat arasındadır. Bu süre içerisinde sıvı dikkatle izlenir. Alaşımlı çeliklerin ergitilmesi de mümkündür. Reaksiyonları hızlandırmak ve ilave edilen hurdaların çabuk ergimesini sağlamak için ayrıca günümüzdeki bazı modern fırınlarda oksijen ilavesi ile çalışılır. Eğer ocağın üzerinde O 2 gazı göndermek için bir sistem varsa fırın içerisine en son olarak yanmayı hızlandırmak için oksijen gazı gönderilir. Ancak meydana gelen yüksek sıcaklıklar fırın tuğlalarının daha kuvvetli aşınmasına sebep olur. 58 Yöntemin avantajları Çeşitli ergime usullerinin uygulanması mümkündür, Şarj edilen ham demir herhangi bir bileşimde olabilir, Büyük miktarlarda hurda şarj edilmesi imkân dâhilindedir, Çelik içerisinde daha az fosfor ve azot kalır. Yöntemin dezavantajları Düşük miktarlarda ürün alınır, Tesis, yapılması ve işletilmesi bakımından pahalıdır, Çeliklerin ergitilmesi sırasında alev kıymetli alaşım elementlerinin yanmasına sebep olur. 59 Ukrayna daki Azovstal Iron and Steel Works Siemens-Martin fırını yöntemiyle çelik üretimine son vererek konvertörle (BOF) çelik üretimine geçmiştir. Yine Ukrayna daki lyich Iron and Steel Wokof Mariupol da 3 yıl içerisinde Siemens-Martin fırını yöntemiyle çelik üretimine son vererek konvertörle (BOF) çelik üretimine geçmeyi planlamaktadır. Böylece, dış piyasalarda Ukrayna çeliğinin rekabet gücünün arttırılması planlanmaktadır. 60 10