DEMİR-ÇELİK ÜRETİMİ

DEMİR-ÇELİK ÜRETİMİ
Demir Cevherleri ve Diğer Hammaddeler
Demir ve çelik üretiminde kullanılan başlıca cevher hematit (Fe2O3) ’tir. Diğer demir cevherleri manyetit (Fe3O4), siderit (FeCO3) ve limonittir (Fe2O3-xH2O, x tipik olarak 1.5’tir).
Demir cevherleri %50-%70 arası demir içerir. Demir-çelik üretiminde demir cevherlerinin yanı sıra hurda demir-çelik de kullanılmaktadır.
Demiri cevherden indirgemek için gerekli diğer hammaddeler kok ve kireçtaşıdır. Kok yüksek karbonlu yakıt olup, bitumin kömürün sınırlı oksijen atmosferinde birkaç saat ısıtılması ve su püskürtülmesiyle elde edilir.
Cevherden demir indirgeme işleminde, kokun iki işlevi vardır:
1) Kimyasal tepkimeler için ısı sağlar.
2) Demir cevherini indirgemek için gerekli olan CO’i üretir.
Kireçtaşı ise yüksek oranda kalsiyum karbonat (CaCO3) içeren bir kayaçtır. Kireçtaşı ergiyik demirden safsızlıkları çekmek için kullanılan bir temizleyicidir.
Demir Üretimi
Demir üretmek için demir cevheri, kok ve kireçtaşı yüksek fırının tepesinden yüklenir. Yüksek fırın refrakter astarlı bir fırın olup çapı 9-11m, boyu ise 40m’dir. Fırının alt tarafından yüksek sıcaklıktaki gazlar yüksek hızlarda fırına verilir. Böylece yanma ve indirgenme sağlanmış olur. Yükleme malzemeleri tepesinden aşağı doğru yavaşça iner. İçeri verilen sıcak gazlar sayesinde 1650oC’ye ısıtılırlar. Kok yanması sıcak gazlar (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 ve yakıtlar) tarafından sağlanır. Bu gazlar yukarı doğru çıkarken katmanlardan geçerek, sıcaklığın artmasını sağlar. CO sıcak gaz olarak fırına verilir ve ayrıca kokun yanmasıyla da oluşur. CO’in demir cevheri üzerinde indirgeme etkisi vardır. Basitleştirilmiş bağıntı:
F2O3 + CO → 2 FeO + CO2
CO2 kok ile tepkiyerek CO oluşturur:
FeO + CO → Fe + CO2
Sıvı demir aşağı doğru damlar ve yüksek fırının tabanında birikir. Bu sıvı demir belli aralıklarla alınır. Kireçtaşı ise;
CaCO3 → CaO + CO2
Kireç silika (SO2), kükürt (S), alümina (Al2O3) gibi safsızlıklarla birleşerek sıvı demirin üzerinde ergiyik cüruf oluşturur.
2
1 ton demir üretmek için 7 ton hammadde gereklidir. 2 ton demir cevheri, 1 ton kok, 0.5 ton kireçtaşı ve 3.5 ton gaz. Yan ürünlerin büyük bölümü yeniden kazanılır. Yüksek fırından alınan demir (pik demir) %4’ten fazla C ile %0.3-1.3 Si, %0.5-2 Mn, %0.1-1 P ve %0.02-0.08 S içerir. Dökme demir ve çelik üretimi için ilave rafine işlemleri gerekir. Kupola ocağı pik demiri, gri dökme demire dönüştürmek için kullanılır. Çeliklerde kimyasal bileşimler çok daha hassas seviyelerde ayarlanmalıdır ve safsızlıklar çok daha düşük seviyelerde olmalıdır.

Şekil 1. Yüksek Fırın
3
Çelik Üretimi
1800’lerin ortasından itibaren pik demiri çeliğe dönüştürmek için birçok yöntem geliştirilmiştir. Günümüzde en önemli iki yöntem Bazik Oksijen Fırını (BOF) ve elektrik ark fırınıdır. Her ikisi de karbon çeliklerinin ve alaşımlı çeliklerin kullanımında kullanılır.
BOF yöntemi A.B.D.’deki çelik üretiminin %70’i BOF yöntemiyle gerçekleştirilir. BOF, Bessemer dönüştürücüsünün daha gelişmiş halidir. Bessemer işleminde ergiyik pik demirdeki safsızlıkları yakmak için hava üflenirken, BOF işleminde saf oksijen kullanılır. Tipik BOF 5m çapında olup bir defada 150-200 tonu işleyebilir.

Şekil 2. Bazik Oksijen Fırını
Çelik üretim tesislerinde ergiyik pik demir yüksek fırından alınıp BOF’ına taşınır. Hammadde olarak hurda demir-çelik de kullanılır. Ayrıca kireç (CaO) ilave edilir. Yüklemeden sonra saf oksijen borusu fırına daldırılır. Bu borunun alt ucu ergiyik demir yüzeyinin 1.5m üzerinde olacak şekilde ayarlanır. Saf O2 borudan yüksek hızda üflenir. Bu da ergiyik havuzun yüzeyinde yanma ve ısınmaya yol açar. Fazla C sıvı çelikten uzaklaşır; Si, Mn ve P gibi safsızlıklar oksitlenir. BOF’ndaki tepkimeler:
2 C + O2 → 2 CO (ve bir miktar CO2)
Si + O → SiO2
2 Mn + O2 → 2 MnO
4 P + 5 O2 → 2 P2O5

Şekil 3. BOF yönteminin aşamaları: (1) hurda yüklemesi, (2) yüksek fırından gelen pik demir, (3) O2 üfleme, (4) sıvı çeliğin alınması, alaşım elementleri ve bazı ilavelerin katılması, (5) cürufun alınması

Şekil 4. Yüksek fırından gelen pik demirin BOF’na dökülmesi
5
İlk tepkimede üretilen CO ve CO2 üst taraftan dışarı atılır. Diğer 3 tepkimenin ürünleri cüruf olarak ergiyik çeliğin üzerinde birikir. Kireç safsızlıkların cürufta toplanmasını sağlayarak temizleyici işlevi görür. İşlem esnasında demirdeki karbon içeriği zamanla yaklaşık olarak doğrusal bir şekilde azalır. Bu da C seviyesinin çelikte daha iyi denetimini sağlar. Rafine işlemi bittikten sonra ergiyik çelik alınır, alaşım elementleri ve bazı ilaveler ergiyik çeliğe katılır ve sonra da cüruf alınır. 200 ton çelik 20 dakikada işlenebilir. Tüm çevrim ise 45 dakika alır. Daha yeni BOF uygulamalarında oksijen üstten değil fırının altına yerleştirilen borulardan üflenir. Bu, geleneksel BOF yöntemine göre daha iyi bir karışım sağlar, işlem süresini kısaltır (3 dakika kadar), karbonu daha düşük seviyelere çeker ve yüksek ürün sağlar. Elektrik Ark Fırını A.B.D.’deki çelik üretiminin %30’u bu yöntemle yapılır. Bu fırında da pik demir kullanılabilir ama daha çok hurda demir-çelik kullanılmaktadır. Birkaç farklı EAF vardır. Doğrudan ark tipi en yaygın olanıdır. Bu fırınların üst kapağı hareketli olup yükleme burada yapılır, boşaltma ise fırının eğilmesi ile gerçekleştirilir. Fırına hurda demir-çelik ile alaşım elementleri ve kireçtaşı yüklenir. Bunlar elektrik arkı ile ısıtılır. Ark elektrotlar ve metal arasında oluşur. Tam ergime 2 saat sürer, tüm işlem ise 4 saat sürer. Bu fırınların kapasitesi 25-100 ton arasındadır. Bu yöntemle, BOF yöntemine kıyasla daha kaliteli çelik üretilir, fakat daha pahalıdır. Genelde alaşımlı çeliklerin, takım ve paslanmaz çeliklerin üretiminde kullanılır.

Şekil 5. Elektrik Ark Fırını
6
İngotların Dökümü BOF veya EAF’ında üretilen çeliklerdaha sonra katılaştırılır. Katılaştırma yöntemlerinden biri ingot dökümdür. Çelik dökümler büyük dökümlerdir ve 1-300 ton arasında olabilir. İngot kalıpları yüksek karbon demirinden yapılır. Kalıp üste veya alta doğru konik olmalıdır. Bu katılaşmış çeliğin kalıptan çıkarılmasını kolaylaştırır. Kesit alanı kare, dikdörtgen veya kare olabilir. İngotlar büyük dökümler olduğu için katılaşma süresi uzundur ve büzülme fazla olur. Soğuma esnasında C ve O arasındaki tepkime ile oluşan CO gözenekliliğe yol açar. Bu gazların düşen sıcaklıkla birlikte sıvı çelik içindeki çözünürlüğü azalır ve çelikten uzaklaşırlar. Dökme çeliklerde CO oluşumunu önlemek veya azaltmak için Si ve Al katkıları kullanırlar. Bunlar ortamdaki O’le tepkimeye girerek, O’nin C’la tepkimeye girmesine engel olurlar.

Şekil 6. İngot döküm
Sürekli Döküm Sürekli döküm Al, Cu ve çeliklerde yaygın şekilde kullanılır. Bu yöntem, ingot dökümün yerini almıştır çünkü verimliliği daha yüksektir. İngot döküm ayrık bir işlemdir, kalıplar büyüktür ve süre uzundur. Büyük bir çelik ingot için soğuma süresi 10-12 saattir. Sürekli dökümde katılaşma süresi 10 kat azdır.
Sürekli döküm işleminde sıvı çelik potadan hazneye dökülür. Haznedeki bir veya daha fazla sayıda sürekli döküm kalıbına dağıtılır. Çelik su soğutmalı kalıpta aşağıya doğru inerken dış kısımlardan hemen katılaşmaya başlar. Su püskürtmesi soğuma işlemini hızlandırır. Metal henüz sıcak ve esnek haldeyken dikeyden yataya doğru kolayca bükülür. Daha sonra kesilir ve hadde tezgahına gönderilerek levha şeklinde veya farklı profiller haline getirilir.

Şekil 7. Sürekli Döküm