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.
Cevherden demir üretimi
Kok
Fırınlarından
Pelet, Sinter, Nodül,
Briket
Sinter
CEVHER
KOK
KİREÇ
YÜKSEK
FIRIN
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.
• Pik Demir: %4–%5 karbon ve değişen oranlarda katışkı (S, Si, P gibi) içerir. Demir
cevherinden dökme demir ve çeliğe giden yolda bir ara ürün olarak değerlendirilebilir.
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.
SİNTER
• 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.
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
Download

DEMİR - ÇELİK ÜRETİMİ