Entegre Demir Çelik Tesisleri ve Proses Akışları Part 5

Sürekli Dökümler

Çelikhane’de oksidasyon sonrası birçok indirgenme reaksiyonu oluştuğundan bahsetmiştik. (C, Mn, Si, P vs.) İşte bu reaksiyonlar sonrası sıvı çeliğin bileşimi aşağıda gösterildiği gibidir.

Çelikhane’de oksijen üflenerek çeliğe dönüştürülen sıvı, sürekli döküm tesisine gönderilmeden önce çeşitli işlemlerden geçmek zorundadır. Bunlardan ilki, BOF’ten potaya alınan çeliğin oksijen miktarının fazla olmasından kaynaklı (600-850 ppm), Al külçelerin ilavesidir. Bu sayede Al ile oksijen reaksiyona girer ve oksijen yapıyı terk eder. Daha sonra ise çeliğin kalitesine ve alıcının isteğine göre farklı katkı elemanları ilave edilir. (FeMn, FeCr, Kok vs.) 

Daha sonra ise 2. metalurji tesisine gönderilir. Burada ısıtma, alaşımlama, kükürt giderme, Ca-Si beslemesi gibi işlemlere tabii tutulur. Kısacası çeliğe ince ayarın yapıldığı yerdir. 

İkincil metalurjik işlemler

Bu işlemlerin ardından çelik sürekli döküm tesisine, döküm için gönderilir. Entegre tesislerde billet, blum, slab adlarında sürekli döküm makinaları bulunur ki bunlar üretilecek olan malzeme adlarıdır. Billet, uzun mamul üretir. 160x160 mm’ye kadar kare kesit dökebilir. Blumun kesit ebatları billet ebatlarından büyüktür. 160-400 mm genişlikte ve 600 mm’ye kadar kalınlıkta uzun mamul üretirler. Slab ise büyük pota tonajları ile yüksek üretime yönelik yassı mamul üreten makinelerdir. Slab kalınlığı 130-300 mm, genişliği 750-2700 mm arasında değişmektedir. Tek yollu veya çift yollu tasarlanabilirler.

Sürekli Döküm Prosesi

Taret: Sürekliliği sağlayan ekipmanların birincisidir. İki ayaklı olup ekseni etrafında 360⁰ dönebilme kabiliyetine sahiptir. Görevi; dolu potayı döküm konumuna, boş potayı da döküm sirkülasyonuna girmesi için geri göndermek üzere pota vincine taşımaktır.

Tandiş: Sürekli döküm prosesinde sürekliliği sağlayan ikinci ekipmandır. Potadaki sıvı çelik bittiğinde taret vasıtasıyla yeni potanın döküm konumuna getirilmesine kadar geçen sürede kalıba sıvı çelik akışını devam ettirerek dökümün sürekliliğini sağlar. Döküm anında tandiş içindeki sıvı çelik belirli yükseklikte tutularak kalıba düzenli ve döküm hızı ile orantılı miktarda sıvı çelik akışı sağlanır.

Tandiş yüzeyindeki sıvı çeliğin atmosferle temasını kesmek için tandiş örtü tozları kullanılır. Tandiş örtü tozlarının görevleri şu şekilde sıralanabilir:

-Atmosferle sıvı çelik arasında izolasyon sağlayarak sıcaklık kaybını minimize eder.

-Çeliğin havadan oksijen kaparak tekrar oksitlenmesini ve kalıntı oluşumunu engeller.

-Çelik yüzeyinde sıvı bir cüruf tabakası oluşturarak tekrar oksitlenme kaynaklı kalıntıları çözer.

Kalıp: Kalıp ilk katılaşmanın sağlandığı ve sıvı çeliğin katı bir kabuk oluşturduğu yerdir. Eşit bir ısı çıkarımı sağlayarak katılaşan yüzeyin bozulma ve yırtılma olmadan ikincil soğutma bölgesine ulaşmasını sağlar. Kalıptaki ısı çıkarımı sürekli döküm prosesinin en önemli noktasıdır. Çünkü ısı çıkarımının kontrolü sayesinde slab yüzey kalitesinin bozulması ve slab yırtılma riski önlenir. Isı çıkarımı su soğutmalı bakır plakalar sayesinde olur. Ayrıca kalıbı sıvı çeliğin inklüzyonlardan kurtulma imkanının olduğu son yer olarak da tanımlayabiliriz.

Bunlar dışında önemli olan bir nokta ise osilasyon hareketidir. Sürekli döküm kalıbı döküm esnasında osilasyon adı verilen dikey salınım hareketi yapar. Bu hareketin amacı kalıp ile katı kabuk arasındaki sürtünmeyi düşürmek ve yapışmayı önlemektir.

Böylece sürekli döküm prosesi de tamamlanmış olur. Bir yazımda da slabların yüzey ve iç yapı kusurlarından bahsedeceğim fakat yazımı bitirmeden sürekli dökümle alakalı bir simülasyonu da paylaşmak istiyorum.

Entegre Demir Çelik Tesisleri ve Proses Akışları Part 4

Çelikhane

Yüksek fırının ürettiği pik demirin çelik yapıldığı tesistir. Üretilen pik demir torpidolara şarj edildikten sonra çelikhaneye getirilir. Yüksek fırında üretilen pik demirin içerdiği C miktarı %4 civarlarındadır. Çelikhanede bu C miktarının düşüşü sağlanır. Ayrıca yapının içerisine çeşitli empüriteler de katılır ki nihai yapının mekanik özellikleri artmış olsun. Tüm bunlar içinde pik demire çeşitli katkı elemanları katılır. (Oksijen, hurda vs.)

Torpido

Fakat daha önce yüksek fırından çıkan pik demirin S (kükürt) miktarına bağlı olarak S giderme tesisinde S giderme işlemi yapılmalıdır. Bildiğiniz gibi S çelikte kırılganlığa yol açmakta ve bu sebeple çok küçük yüzdelerde istenmektedir. Bunun için torpidoya, kireç, Mg gibi ilaveler azot yardımıyla enjekte edilir ve S giderme işlemi tamamlanır.

S giderilme işlemi biten pik demir torpidolardan konvertöre (BOF) şarj edilir ve üst kısımda biriken cüruftan arındırılır. Aslında hurda konvertöre ilk şarj edilen malzemedir. Ardından pik demir şarj edilir. Hurdanın pik demirle karıştırılması 2 nedenden ötürüdür:

-Maliyet

-Sıcaklık dengesini ayarlamak.

Hafif olanlar, hurda potasında öne, ağır olanlar ise arkaya koyulur ki şarj yaparken hafif hurda fırına girdiğinde fırın içindeki refraktere zarar vermesin.

Pik demir şarjından sonra oksijen üflemesi yapılır. Oksijen üflemesi ile C miktarı düşürülür ve çeşitli reaksiyonlarda meydana gelir. Bu işlem C bitene kadar devam eder ve 13 ile 25 dk. arasındadır. Üflenen oksijenin saflığı da önem arz eder. Genellikle %100’e yakın oksijen, %0.3-0.5 oranlarında Ar içeriklidir. Bu süre içerisinde meydana gelen reaksiyonlar ekzotermik yani ısı veren reaksiyonlardır. Buna sebep olan en güçlü elementler Si ve C’dur. Bu nedenle pik demirde Si oranı yüksekse konvertöre daha fazla hurda şarjı yapılmalıdır ki sıcaklık dengesi sağlansın.

BOF prosesi

Bu işlemlerden sonra konvertörden alınan çelik artık sürekli dökümlere gitmeye hazır hale gelmiştir. (C, Mn, P, S, Si miktarları ayarlanmış ve cüruf alınmıştır.) (Bir başka yazımda da bu saydığım elementler ve V, W, Co, Cr gibi çeşitli elementlerin çeliğe etkilerinden bahsedeceğim.)

Entegre Demir Çelik Tesisleri ve Proses Akışları Part 3

Yüksek Fırın (Blast Furnace)

Yüksek fırın temel olarak, sinterlenmiş ham demirle koklaştırılmış taş kömürünü sıcak hava yardımıyla reaksiyona sokarak, çelikhane için gerekli olan sıvı ham demiri (pik demir) üretir. Tabii ki cevher olarak sadece sinterlenmiş ham demir kullanılmadığı gibi (pelet, parça cevher) yakıt olarak sadece koklaştırılmış taş kömürü kullanılmaz (katran, fuel-oil vs.). Bunun en temel nedeni maliyeti düşürmektir. Bir önceki yazımda da söylediğim gibi kok kömürünün maliyeti oldukça yüksektir.

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- Bogaz - 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 fırının üst bölgesinden bu sistemler vasıtasıyla içeriye gönderilmektedir. Bu bölgeden itibaren dikey eksende aşağı doğru bir kaç metre uzunluğunda boğaz kısmı bulunur. Boğazdan itibaren fırının toplam uzunluğunun yaklaşık 3/5’lik kısmında gövde bulunmaktadır. 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 curuf oluşma işlemi tamamlanır. Eriyen metal ve curuf, karın bölgesinin altında bulunan ve dikey eksende çapı sabit olan hazne bölgesinde birikir.

Yüksek fırına, şarj işlemi bittikten sonra sobalar yardımıyla sıcak hava kokun yanmasını sağlamak amacıyla gönderilir. Sobaları ısıtmak içinse yine yüksek fırından yararlanılır. Reaksiyon sonucu oluşan yüksek fırın gazı (%90) ile kok gazı (%10) sobaların ısınmasını sağlar. Kok gazının ilavesi, yüksek fırın gazının kalorisinin düşük olması sonucu yanmanın veriminin düşüklüğünden kaynaklanmaktadır. Yüksek fırın gazının kalorisi 870 Kcal/m3 iken kok gazının 4300 Kcal/m3’tür.  

Kokun ve diğer yakıt elemanlarının yanması ile reaksiyon başlar. Hematit olarak fırına şar edilen demir cevheri sırasıyla manyetit ve wüstit olacak, ardından demir’e indirgenecektir. Teorik olarak fırının üst bölgesinde bulunan gazların indirgenme potansiyeli wüstit oluşumu için yeterli olduğundan cevher şarj edilir edilmez hematit ve manyetit indirgenmeye başlar. Yüksek fırında silisin, fosforun, manganın indirgenme reaksiyonları da söz konusudur fakat ben bugün bu kadar derine girmeyeceğim.

Yüksek fırınlarda tüyer bölgesi önünde sıcaklık yaklaşık 2200-2400^oC, fırın tepesinde ise 200^oC civarındadır. Üflenen sıcak hava sıcaklığı da 1100^oC civarındadır. Fırın çelik zırhını ve soğutma sistemini yüksek sıcaklıklardan korumak amacıyla refrakterler yüksek fırınlarda çok önemlidir.

Fırın bölgelerindeki aşınma ve sıcaklık farklılıklarına göre kullanılan refrakterler değişmektedir.

Yüksek fırınlarda genel olarak; Karbon tuğlalar,

Grafit tuğlalar,

SiC tuğlalar,

Alümina tuğlalar kullanılır.

Döküm Holü

Pik demiri curüfüyla birlikte fırından almak amacıyla dizayn edilmiş ekipmanlar topluluğudur. Döküm holü, yüksek fırın ürünü olan sıvı ham demir ve curufun potalara ya da torpidolara (çelikhane için) yönlendirildiği yerdir. Döküm holünde;

Döküm ve curuf deliği,

Pik ve curuf kanalları,

Beşik oluk,

Köprü Vinci,

Döküm açma matkabı ve çamur topu gibi ekipmanlar bulunur.

Döküm Deliği: yüksek fırında ergimiş halde elde edilen ve fırın tabanındaki hazne bölgesinde bulunan sıvı ham demiri fırından almak için döküm delikleri bulunur.

Pik ve Cüruf Kanalları: Açılan dökümün potalara ulaşmasına yardımcı olan refrakter malzemelerden yapılmış kanallardır. Bu bölgede pik altta cüruf üstte olmak üzere birlikte akarlar ve yoğunluk farkı sayesinde birbirinden ayrılır ve ayrı kanalardan pik pik potasına, cüruf cüruf potasına alınır ya da cüruf granüle edilir.

Köprü Vinci: Döküm holünde malzemelerin taşınmasına yardımcı olur.

Döküm Açma Matkabı: Refrakter çamurlarla kapatılmış ve ısıyla sertleşmiş döküm değinin açılmasında kullanılır. 42-45 mm’lik matkap çubukları ile dairesel ve darbeli hareket yardımıyla döküm deliğini 2-2, 5-3, 5 m’lik mesafe de açarlar.

Çamur Topu: Hazne bölgesinde biriken pik ve cüruf alındıktan sonra çamur topu açık olan döküm deliğine, delik boyu ve çapına bağlı olarak çamur basar. Belli bir süre top delik üzerinde bekletilir, malzeme kalitesine bağlı olarak 2-7 dk. sonra döküm kapatılmış olur.

Sonuç olarak yüksek fırının amacı çelikhane için gerekli olan sıvı ham demiri cevher ve çeşitli yakıtlarla reaksiyona sokarak üretmek, ardından da ürettiği bu pik demiri cürufundan ayırıp torpidolara yüklemektir ki çelikhaneye, C miktarı azaltılıp çelik olabilsin. Üretilen cüruf ise atılmaz, çimento sanayisi için satılır. Görüldüğü gibi entegre tesisler ürettiği hiçbir malzemeyi boşa harcamıyor. Tıpkı Y.F. gazının sobaları ısıtmak için kullanılması gibi.