DEMİR - ÇELİK ÜRETİMİ

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

• Temel olarak çelik üretimi için iki ana üretim tekniği bulunmakta ve yoğun olarak yurdumuzda ve dünyada kullanılmaktadır.

• 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 verilen yarı mamul ile çelik üretimidir.

• Ham demir, sünger demir ve hurda, çelik üretiminin en önemli hammaddeleridir.

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 taşlarlarında bulunmaktadır.

• Özgül ağırlığı 7.88 gr/cm3 , erime sıcaklığı 1538 °C , çekme mukavemeti 27 kg/mm2

• 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 karbondur.

YÜKSEK FIRIN

KOK

CEVHER

KİREÇ

Sinter

Pelet, Sinter, Nodül, Briket

Kok Fırınlarından

Cevherden demir üretimi

DEMİR CEVHERLERİNİN SINIFLANDIRILMASI

• Demir cevherlerinin sınıflandırılmasında kullanılan birçok metot vardır. Bu metotlardan en fazla kullanılanı demir minerallerini kimyasal bileşimlerine göre oksitler, karbonatlar ve sülfürler olarak sınıflandırmaktır.

Manyetit

• Kimyasal formülü Fe304olan manyetit % 72.4 demir ve % 27.6 oksijen içerir.

Hematit

• Kimyasal formülü Fe203 olan hematit % 69.94 demir ve %30.06 oksijen içerir.

• Dünya demir üretiminde en fazla kullanılan demir cevheridir

Limonit

• Kimyasal bileşimi genel olarak Fe203.xH2O olarak gösterilen limonit, manyetit ve hematit’den daha düşük kalitelidir.

Siderit

Kimyasal formülü FeCO3 olan siderit % 48.2

demir, % 51.8 CO2 içermektedir.

Pirit

• Kimyasal bileşimi FeS2 olan pirit % 46.6 demir ve 53.4 kükürt ihtiva eder.

• Bu mineraller ayrıca bakır, gümüş, altın ve nikel gibi kıymetli metalleri ihtiva eder. Kıymetli metaller ve kükürt alındıktan sonra, demir yan ürün olarak elde edilir.

Yüksek fırında ergitme sırasında kısmen pik demirin bileşimine giren maddeler

• Bunlar silisyum, manganez ve kükürt ‘tür.

• Bu elementlerin pik demire ne miktarda geçeceği fırına ilave edilen maddelerin miktarına ve işletme şartlarına bağlıdır.

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.

Demir Cevherlerini Hazırlama

• Cevher hazırlama, cevherin madenden çıkarıldıktan sonra fırında kullanılabilir hale gelinceye kadar yapılan bütün işlemleri kapsar. Bunlar kırma, öğütme, eleme, yıkama, harmanlama, konsantrasyon, topaklama ve benzeri gibi işlemlerdir.

• Madenden gelen cevherlerin büyük bir kısmı bir ön hazırlama işleminden geçmeden yüksek fırında kullanılabilecek haldedir.

• Cevher hazırlama işlemlerinin amacı, hammadde şartlarının iyileştirilmesi bunun sonucunda da yüksek fırın verimini arttıracak daha ucuza sıvı demir üretmektir.

• Dünya’da yüksek fırın şarjının %50’si sinter , kalanı ise parça cevher ve pelet olarak yüklenir.

• Sinter: Kısmi ergime metodu ile ufak parçaların temas yüzeylerinden birbirine yapışmaları.

• Pelet: Konsantre ürünün (istenen tenöre sahip) içerisine katılan bir bağlayıcı madde ile nem ve ısı yardımıyla belli boyutlarda sertleştirilme işlemine peletleme denir. Demir yönünden zengin ince taneli minerallere pelet denir. SİNTER

METALURJİK KOK ÜRETİMİ

• Demir-Çelik endüstrisinde kömürün en çok tüketildiği alan yüksek fırındır. Kok yüksek fırında kullanılan evrensel bir yakıttır.

• İndirgeyici ve ısı sağlayıcı olarak görev alır. Aynı zamanda üretim maliyeti için önemli bir yer kaplar.

• Kömür, kok olarak ve enjeksiyon halinde toz kömürün yüksek fırına yakıt olarak yüklenmesi şeklinde tüketilmektedir.

• Kok, antrasit ve veya taş kömürün (bitümlü kömür) kuru kuruya damıtılmasıyla elde edilir.

Metalurjik kok üretiminde kullanılan iki metot bulunmaktadır.

• 1. Kovan Metodu

• 2. Yan Ürün Metodu

1 .Kovan Metodu

• Bu yöntem bugün için önemini kaybetmiştir. Kok üretiminde kullanılan en eski yöntemdir. Bu yöntemde kovan şeklinde fırınlar kullanılır.

• Fırına yukarı kısmından yaklaşık olarak 8 ton kömür yüklenir. Kapak üstü 3 cm kadar kapatılır. Bu aralık koklaşma için yetecek havanın fırına girmesini sağlar. 48-72 kadar yakılan kömürden kok kömür elde edilir.

• Bu method yerini Yan Ürün Methoduna bırakmıştır.

Yan Ürün Methodu

• Bu yöntemde koklaşmanın gerçekleştiği fırınlarda hava yoktur.

• Damıtma için gerekli ısı fırının dışarıdan ısıtılmasıyla sağlanır. Koklaşma sonucu elde edilen gazlar fırının bitişiğindeki bölümlerde yanar ve fırını ısıtırlar.

• Koklaşma sırasında açığa çıkan uçucu maddeler değişik işlemler uygulanarak gaz ve yan ürün olarak elde edilir.

• Üretilen gazın % 40’ı tekrar kok fırınlarını ısıtmada kullanılır.

Genel olarak kok fırınlarında üç bölüm bulunmaktadır.

• Koklaşma kamaraları

• Isıtma kamaraları

• Rejeneratif kamaralar

•Sistem batarya şeklinde dikdörtgen şekilli

Odacıkların sayısı 100-200 arasında değişmektedir. Bataryalarda sırası ile bir koklaşma odacığı bir ısıtma odacığı bulunmaktadır. Böylece her koklaşma kamarasının iki yanında birer ısıtma kamarası bulunmaktadır.

• İyi bir metalurjik kokun kimyasal bileşiminde çok az uçucu madde ve % 85-90 karbon bulunur.

• Kokun yüksek fırında beş fonksiyonu vardır.

1. Termal ihtiyaçları sağlamak için bir yakıt olarak kullanılır. Reaksiyonu ;

• 2C+O2 2CO H= - 2300 k.cal / kgC’ dır.

• 2CO+O2 2CO2 H= - 8150 k.cal / kgC‘dur.

2. Demir oksitlerin indirgenmesi için CO sağlar.

3. Metal ve metaloksit oksitleri, Mn, Si, P gibi indirger.

4. Demiri karbürize ederek erime noktasını düşürür.

5.Kuru ve ıslak bölgelerde geçirgenliği sağlar ve mekanik destek olur. Kokun geçirgenliği cevher, sinter ve pelete göre % 60-100 oranında daha fazladır. Tüyer seviyesine ininceye kadar erimez ve burada hava tarafından indirgenir.

CÜRUF YAPICI İLAVE MADDELER

FLUKS’LAR • Cüruf yapıcı ilave maddeler (Fluks’lar) beraberinde metalin bir erime

sonucunda, kimyasal olarak birleştiği veya fiziksel olarak karıştığı yabancı maddelerden (cevherden) ayrıldığı bütün metalurjik işlemlere İZABE denir.

• Demir izabesinde yabancı maddeler bakımından bu her iki durum hemen her zaman mevcut olduğundan, ham demir üretimi iki işlem gerektirir:

1) Metalin bileşik olarak bulunduğu elemanlardan ayrılması –Redüksiyon

2) Metalin mekanik olarak karıştığı maddelerden – Gang’dan -ayrılması.

• Demir cevherlerinde bulunan ve cürufa geçmesi istenen yabancı maddelerin çoğu refrakter karakterli olup yüksek sıcaklıklarda ergir.

• Bu maddeler iyice ergimedikleri takdirde izabe işlemini geciktirir ve metal ve gangın ayrılmasını önler.

• Fluks’ların birinci görevi bu maddeleri daha kolay erir hale getirmektir.

• Bazı elemanlar demir ile tamamen benzer tarzda redüklenir ve demirin içinde erir veya demir ile kimyasal olarak birleşir. Ham maddede demir ile birleşik halde bulunan diğer bazı elemanlar, metale tercih ederek birleşecekleri diğer bir madde olmaksızın demirden ayrılmaz.

• Flaks’ların ikinci görevi bu elemanların veya bileşiklerin metale tercih ederek birleşecekleri bir maddeyi temin etmek ve metalin serbest hale geçmesini sağlamaktır.

Asidik ,Bazik ve Nötr olmak üzere 3 tür flaks vardır.

Asit flakslar: Silika (Si02), asit çelik üretim yöntemlerinde flaks olarak kullanılan tek maddedir.

Bazik flakslar: En çok kullanılan bazik flaks kireçtaşıdır (CaCO3). Bunu dolomit (CaMg)C03 takip eder.

İzabe ve tasfiye işlemlerindeki yüksek sıcaklıklarda en aktif bazik maddeler kalsiyum, magnezyum ve sodyum bileşikleridir.

Buna karşılık en aktif asit maddeler silisyum ve fosfor bileşikleridir.

Bazik yabancı maddeleri gidermek için asit bir flaks, asidik bileşikleri gidermek için bazik bir flaks kullanılır.

Nötr Flakslar: Cürufları daha akışkan yapmak için düşük erime noktası olan nötr maddeler ilâve edilebilir. En çok Fluşpat(CaF2) kullanılır.

YÜKSEK FIRINLAR

• Demir içerikli hammaddelerin kok ve kireç taşı ile bir arada ergitilmesinde kullanılan ve kapasitelerine göre yükseklikleri 30-90 m arasında değişen fırınlara yüksek fırın denir.

• Dünya çelik üretimi her yıl 700 milyon ton civarında gerçekleşmektedir. Bu üretimin yaklaşık % 60‘ı yüksek fırınlar ve çelikhane vasıtası ile geriye kalan % 40‘ı hurdaların eritilmesi ile elde edilmektedir. Hurda kaynağının da yüksek fırın olduğu göz önüne alınırsa çelik üretiminin % 99'u yüksek fırınlardan elde edilmektedir.

• 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 fırının iç hacmi 250-850 m3 kadardır.

• Ortalama 1m3 fırın hacmi için 24 saatte 0,5 ila 1,4 ton arası ham demir elde edilir.

• 1 ton ham demir elde etmek için kömürün kalitesine cevherin kompozisyonuna bağlı olarak 450-800 kg kok tüketilir.

• Bir yüksek fırından elde edilen ürün pik demir adını alır.

• Yüksek fırın doldurulup yakıldıktan 10-15 saat kadar sonra eriyik ham demir alınmaya başlanır.

• Günde 4-6 kere eriyik alınır.

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)

• Fırın üst bölgesinde çan sistemi veya daha modern bir sistem olan çansız tepe sistemi bulunmaktadır.

• 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.

• Gövdenin bittiği yerde başlayan ve dikey eksende çapı sabit olan bel (Belly) bölgesi fırının en geniş bölgesidir.

• Cürufun ve metalin erimesi ve sonuç olarak hacimlerinin azalması bu bölgede başlar.

• Karın (Bosh) bölgesi ters koni şeklindedir.

• Üst kısmı bel, alt kısmı hazne ile birleşmektedir.

• 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.

Yüksek Fırın yardımcı birimleri

• 1-Hammadde besleme sistemi

• 2-Fırın üstü şarj sistemi

• 3-Kömür enjeksiyon sistemi

• 4-Sobalar

• 5-Dökümhane

• 6-Kontrol odası

• 7-Soğutma sistemi ve 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.

Çelik Üretim Metotları • Bessemer – Thomas çelik üretim metodu

• Siemens - Martin çelik üretim metodu

• Bazik oksijen konvertörlerinde çelik üretimi

• Elektrik ark ocaklarında çelik üretimi