(EAF) çelik üretimi
Elektrik ark fırınlarında (EAF) çelik üretimi
Elektrik ark fırınlarında hurdalardan yararlanılarak çelik üretiminin yapılabilmesi için bazı şartların yerine getirilmesi gerekiyor. İşte yerine getirilmesi gereken o şartlar...
Bazik Oksijen Fırını (BOF)da oksijen metalin içine enjekte edilir ve orada çözünür. EAF’da, oksitleyici şartlar cüruf fazıyla sağlanır. Oksitleyici bir cüruf yapılır (yüksek oranda FeO 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.
ELEKTRİK ARK FIRINLARINDA ÇELİK ÜRETİMİ
Elektrik ark fırınlarının endüstride ve özellikle çelik üretiminde kullanılmasını sağlayan faktörler:
– Elektrik enerjisi üretim ve temin olanaklarının artması,
– Elektrot üretim ve kalitelerinin geliştirilmesi,
– Elektrik kontrol sistemlerindeki gelişmeler,
– Refrakter malzemelerinin cins ve kalitelerindeki gelişmeler
– Mekanik, hidrolik, elektronik konularındaki endüstriyel gelişmeler olarak sırlanabilir.
EAF’DA ÇELİK ÜRETİMİNİN PRENSİPLERİ
• Geleneksel elektrik ark fırınları
– alternatif akımlı,
– direkt ark teşkil ettirilen 3 elektrodlu,
– genellikle dairesel kesitli gövde ve kapak gibi parçalardan oluşur.
• Elektrodlar ile haznedeki metal arasında normal volt, yüksek akım dolayısı ile meydana gelen yüksek güçler sayesinde yüksek sıcaklık elde edilir (ark bölgesinde
3200oC).
• Elektrik ark fırınları konvansiyonel astarlama pratiğine göre asit ve bazik olmak üzere ikiye ayrılabilir.
Asit elektrik ark fırınlarında asit cürufla çalışılarak tam ve kısmi oksidasyon yöntemleri ile çelik üretimi yapılabilir. Bu tip fırınlarda cüruf tipi dolayısı ile fosfor ve kükürt gidermek mümkün olmadığından hammaddelerin seçilmiş olarak kullanılması zorunluluğu vardır.
Bazik astarlanmış fırınlarda bazik cüruflarla çalışıldığından, özellikle elektrik ark fırınlarında oksitleyici ve redükleyici çift cüruf uygulaması rahatlıkla yapılabilir. Böylece P ve S giderilmesi mümkündür.
Bazik astarlanmış ocaklarda; kapakta krom -magnezit veya silika tuğla (son yıllarda yüksek alüminalı tuğlada kullanılmaya başlanmıştır), tabanda ise yüksek kaliteli şamot tuğla ve magnezit tuğla döşenir, üstüne ise dolomitle astarlama yapılır. Cüruf seviyesinde ve onun üzerinde ise krom -magnezit veya silika tuğla döşenir.
Dönen hurda; kimyasal analizi çok iyi bilinen çelikhane, dökümhane, haddehane gibi birimlerden gelen yüksek kaliteli hurdalardır.
Piyasa hurdası ise; çok az kükürt ve fosfor içeriği olan ve özellikle otomobil kaportalarından gelen hurdalardır.
Hurdalarda dikkat edilmesi gereken yabancı maddeler demirden daha düşük oksijen afinitesine sahip olan maddelerdir. Bunlardan özellikle dikkat edilmesi
gerekenler bakır ve kalaydır.
Refrakter malzeme sarfiyatı çalışma koşulları (şarj şekli, sıcaklık, yüksek sıcaklıkta kalma süresi, sıcaklık değişimlerinin sıklığı, çelik ve cüruf bileşimi vb.) ile yakından ilgilidir.
Genel olarak ark fırınlarında refrakter tüketimi; 5-15 kg/ton çelik olabilmektedir.
Elektrik ark fırınlarında elektrot tüketimi elektrot uçlarından, yüzeylerin oksidasyonu yoluyla ve mekanik kırılmalar sebebiyle olmaktadır.
Elektrot tüketiminin minimize edilmesi, elektrotların özelliklerinin yanı sıra çalışma koşulları ve fırın yapısı ile yakından ilgilidir.
Değişik koşullarda 1 ton çelik üretimi için 3,5-9,0 kg’lık elektrot tüketimi olabilmektedir.
Ocağın çalışması elektrotlara uygulanan normal volt, yüksek akımın şarja iletilmesi ile olur. Ocağın tamiri, elektrotların ayarı ve gerekli hazırlıklar yapıldıktan sonra ocağa şarj yapılır. Şarj için gerekli hammaddelerin başında hurda gelir. Eğer üretilecek çelik alaşımlı çelik ise hurda bileşiminin üretilecek çelik cinsine benzemesine dikkat edilir.
Diğer hammaddeler ise;
– Cüruflaştırıcı: Kireç, kireçtaşı ve fluşpat
– Tamir malzemesi: Dolomit ve magnezit,
– Alaşımlama ve deoksidasyon: Fe-Mn, Fe-Si, Fe-Cr vb.
– İlave malzemeler: Karbon vermek için kok kömür tozu, ergitmeyi hızlandırmak için sıvı
oksijen, ayrıca karbon tasfiyesi için demir cevheri (hematit) kullanılır.
Ocağa gerekli ilaveler genellikle cüruf kapısından yapılır.
Kullanılan hammaddeler, hurda şarjından sonra gerekli kademelerde ve belli oranlarda ilave edilirler.
Ocağa hurda şarjı ocak kapağı açılarak üstten yapılır ve kapak kapatılarak elektrotlar şarj üzerine indirilir ve akım tatbik edilerek ark oluşturulur. Elde edilen ark, elektrotlardan şarja elektrik akımının iletilmesini sağlar. Ark; metal ile elektrot arasında meydana gelir. Elektrotlar ile haznedeki şarj arasında tatbik edilen normal volt, yüksek akım nedeniyle meydana gelen yüksek sıcaklık şarjı ergitir. Çift cüruf yönteminde ergitme ve arıtma olarak iki kademe vardır. Ergitme kademesinde şarjı kolayca ergitebilmek için şarja oksijen üflenir. Bu kademede yüksek güçle çalışılır. Ergitmenin tamamlanmasıyla güç düşürülür. Arıtma kademesinde ise iki ayrı periyot vardır: oksidasyon ve redüksiyon periyotları. Oksidasyon periyodunda çelik banyosu içinde istenmeyen bazı elementler oksit halinde cürufa geçirilerek banyo arıtılır. Bu arada silisyum, mangan, fosfor ve demir gibi bazı elementlerde kısmen oksidasyona uğrarlar ve banyodaki karbonda biraz azalır. Sıvı metal banyosu oluşur oluşmaz cüruf çekilerek fosfor tasfiyesi yapılır. Redüksiyon periyodunda ise metal banyo sıcaklığı artırılır ve kükürt tasfiyesi yapılarak, gerekli ilavelerle çelik istenen bileşime getirilir. Ocakta çalışma şartlarına göre baziklik oranı çok iyi ayarlanmalıdır. En iyi kükürt tasfiyesi için ve cürufun akışkanlığının maksimum olabilmesi için bu oran 2,5 olmalıdır. Bu nedenle bu periyotta bol miktarda kireç kullanılarak hem baziklik oranı arttırılır, hem de daha iyi kükürt tasfiyesi sağlanır. Böylece cürufta kükürtlü bileşikler halinde toplanan kükürt, periyot sonunda cüruf çekme işlemi ile banyodan uzaklaştırılır. Bu kademede sık sık sıcaklık ölçümü yapılır ve ocaktan numune alınarak bileşim kontrol altında tutulur. Eksik olan element ilave edilir, fazla olan elementlerin ise tasfiyesine çalışır. Buraya kadar sırasıyla fosfor, kükürt, mangan, silisyum ve karbon ayarlanır. İstenen sınırlara gelinmiş ise son olarak sıvı çelik banyosundaki oksitleri almak ve oksijen seviyesini minimuma indirmek için banyoya, deoksidanlar ilave edilerek deoksidasyon yapılır. Son olarak sıcaklık ve bileşim kontrolü yapıldıktan sonra güç düşürülür ve gerekirse bazı ilaveler yapıldıktan sonra, yeterli sıcaklığa ulaşılmışsa döküm alınır. Döküm alma sıcaklığı çelik kalitesine ve karbon miktarına bağlıdır. Genel kural olarak çeliğin ergime sıcaklığının 100oC üzerinde bir sıcaklıkta döküm alınır.
BAZİK PROSES
Bazik cürufun esası kireç atılarak oluşturulan kalsiyum silikatlar ve silisyumun oksitlenmesiyle oluşan veya şarjdan gelen SiO2’dir. % CaO / % SiO2 oranı genellikle 2,5-4,5 arasındadır. Oksitleyici cüruf %10-45 civarında FeO ile az miktarda MnO ve şarjdan gelen diğer oksitlenebilir elementleri içerir. Redükleyici elemanlar oksit cüruf (1. cüruf) alındıktan sonraki yeni cüruf karışımına ilave edilir (çift cüruf sistemi).
Bazik Oksitleyici Cüruflar
• Ergime sırasında sıvı banyo içine oksijen enjekte edilmekte ve bu sırada silisyum, mangan gibi elementlerin yanında demirde oksitlenmektedir.
• Eğer bazik cüruf içinde %FeO> %10 ise bu cürufa oksitleyici cüruf denilmektedir.
• Oksitleyici cüruflarda %FeO = 10-45 arasında yer almaktadır ve oksijen potansiyeli açısından zengindir.
• Bu tür cürufla çalışılan proseslerde ferro-alyaj ilave edilirse silisyum ve manganez gibi elementler önce cüruf içindeki oksijen eğilimi daha zayıf olan FeO ile reaksiyona girmekte ve bunun sonucunda da sıvı banyo içinde çözünen Si ve Mn miktarı daha az olmaktadır. Bu cüruflar alüminyum ve ferro alyajları oksitlediği için oksitleyici cüruf denilmektedir.
• Fosfor rafinasyonunda bazik oksitleyici cüruf kullanılmaktadır.
Bazik İndirgeyici Cüruflar
• Bazik cüruf içinde %FeO + %MnO < %5 ise bu tür cüruflara indirgeyici cüruf denilmektedir.
• Fosfor rafinasyonundan sonra E.A.F.’dan cüruf çekilmesi, ferro alyaj ve yeni kireç ilavesinden sonra oluşturulan cüruf, bazik indirgeyici cürufa iyi bir örnektir.
• Ayrıca pota ocağında kireç ilavesi ile oluşturulan cürufta iyi bir indirgeyici cüruftur.
Fosfor rafinasyonu
Çelik içinde bulunan fosfor, çeliğin uzama, darbe mukavemeti gibi fiziksel özelliklerini olumsuz yönde etkiler, soğuk çekilebilirliği azaltır. Bu nedenle istenmeyen bir elementtir ve çelik içindeki miktarı çeşitli çelik cinslerinde değişmekle birlikte %0,05 ile sınırlanmıştır. Bazı kaliteli çelik cinslerinde ise en fazla % 0,015 olmalıdır.
Ancak hurda içinde daha fazla fosfor bulunmaktadır ve fosforun oksijen eğilimi demirden daha fazladır. Bu nedenle ergitme sırasında oksijen ile rafine edilir ve kireç ile de cürufa bağlanır. Temel olarak fosfor rafinasyonu;
2P + 5O = (P2O5) + ısı T< 1570oC
eşitliği ile sağlanır ancak cürufa bağlanabilmesi için kirece ihtiyaç vardır ve
gerçek rafinasyon reaksiyonu;
(2) 2P + (5FeO) + 3 (CaO) = 3CaO. P2O5 + 5Fe + ısı
şeklindedir. Cüruf içinde bol miktarda FeO ve CaO bulunması reaksiyonu hızlandırmaktadır.
Fosfor rafinasyonu
Bu nedenle fosfor rafinasyonu için bazik oksitleyici cürufa ihtiyaç vardır. Reaksiyon sonunda ısı açığa çıktığı için fosfor tasfiyesi 1570oC’nin altındaki sıcaklıklarda çok hızlı olur. Bu sıcaklığın üzerinde reaksiyon ters yönde oluşur. Fosfor rafinasyonunu etkileyen bir diğer önemli noktada cüruf içindeki (%MnO) değeridir.
%MnO+%MgO+%CaO = % 65 seviyelerindedir ve sabittir. Eğer %MnO artarsa diğer fazların miktarı azalacağından fosfor tasfiyesi daha yavaş olur. Fosfor cürufa bağlayabilmek için CaO’ya ihtiyaç vardır ve CaO kireç ilavesi ile sağlanabileceği gibi kireçtaşı (CaCO3) ilavesinden sonra cürufa aşağıdaki reaksiyon ile geçmektedir.
CaCO3 + ısı = CaO + CO2 (T ~ 900oC)
Isı alan bir reaksiyon olması nedeniyle kireçtaşı ilavesi enerji tüketimini arttırmaktadır. Ancak CO2 gazı banyonun karışmasını sağlayarak reaksiyonu hızlandırmaktadır.
Fosfor tasfiyesinin olması için sıcaklık 1570 oC’ye gelmesine rağmen yeterli fosfor tasfiyesi olmamış ise kireçtaşı ilave edilir.
Böylece;
– Sıcaklık düşürülerek reaksiyon hızlandırılır.
– Fazladan CaO eklenmesi nedeniyle baziklik artar ve fosfor tasfiyesi hızlandırılır.
Fosfor rafinasyonu için gerekli şartlar özetlenecek olursa:
Bazik cüruf (CaO/SiO2>2,5) gereklidir. Bunun için yeterli miktarda kireç veya kireçtaşı verilmelidir.
Oksitleyici cüruf (%FeO>15) gereklidir. Bu şart oksijen enjeksiyonu ile sağlanır ve banyo karbonu düşürülür.
Fosfor tasfiyesi 1570oC’ye çıkmadan tamamlanmalıdır.
Etkin bir karbon kaynaması yapılarak banyo içindeki karbon miktarı düşürülmelidir.
Cüruf akışkan ve sıvı olmalıdır. Bu koşulu sağlamak için gerekirse fluşpat ilave edilebilir.
Reaksiyonun hızlandırılması için etkin bir karıştırma gereklidir. Karbon ve oksijen enjeksiyonuna, ayrıca EAF dipten karıştırma sistemine ihtiyaç duyulmaktadır.
Cüruf içinde %MnO ve %MgO minimumda tutulmalıdır.
Kükürt Rafinasyonu
Kükürt çeliğin mekanik özelliklerini olumsuz yönde etkileyen ve darbe mukavemetini azaltan zararlı bir elementtir. Bu nedenle çelik içinde istenmemektedir ve miktarı sınırlanmıştır. Kükürt tasfiyesi aşağıdaki eşitlikle gerçekleşir:
(FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO)
Ancak sıvı banyo içinde FeO miktarının yüksekliği S giderimini yavaşlatacak veya durduracaktır. Bu nedenle banyodaki FeO’in C, Al, Si, Ca gibi deoksidan maddelerle deokside edilmesi gerekmektedir. Belirtilen deoksidasyon ile birlikte S giderimi reaksiyonu şu şekildedir:
(FeS) + (CaO) + C + ısı = (CaS) + Fe + CO
İyi bir kükürt (S) tasfiyesi için gerekli şartlar:
• Bazik Cüruf: Yeterli miktar kireç ilavesi sonunda CaO/SiO2 oranı 2,5’un üzerinde olmalıdır.
• İndirgeyici Cüruf: Bazik cüruf içinde %FeO+%MnO toplamı %3’ün altında olmalıdır. Bu koşul iyi bir oksijen giderme (deoksidasyon) ve cürufsuz döküm alma ile mümkündür. Döküm alma sırasında akışa verilen silisyum, alüminyum deoksidasyon amacıyla ilave edilir.
• Yüksek Sıcaklık: Kükürt rafinasyonu ısı alan bir reaksiyon olduğu için sıcaklık arttıkça reaksiyon hızlanır. 1570oC’nin üzerinde iyi bir rafinasyon sağlanabilir.
• Akışkan ve Sıvı bir Cüruf: Kükürt rafinasyonu cüruf-metal reaksiyonu sonunda olmaktadır. Cürufun sıvı ve akışkan olması gereklidir. Cürufu akışkan hale getirmek için fluşpat ilave edilmektedir.
EAF’ DAKİ TEKNOLOJİK GELİŞMELER
Dünya’da yaklaşık 400 EAF çelik üretimi için kurulu durumdadır. Bunların yaklaşık %25’i 100 tondan daha büyük döküm kapasitesine sahip DC Fırınlardır. Yüksek kapasiteli ergitme tesisleri daha çok DC fırınlarla çalışmaktadır. 140 MW’a kadar ergitme gücüne sahip ikiz elektrodlu DC fırınlar artan bir trende sahiptir. DRI şarjı %60’ı aştığında ikiz elektrodlu DC fırınların özellikle daha etkili olacağı görülmüştür.