Doç. Dr. ÖZKAN ÖZDEMĠR

Doç. Dr. UĞUR ÖZSARAÇ

2015

DEMIR-ÇELIKMETALURJISI(DERS NOTU)

1. Bessemer YöntemiBessemer prosesi, seri üretim boyutunda ergimiş pik demirden çelik üretimi yapılan ilk

ucuz ve kolay yapılabilir endüstriyel prosestir. Proses; bu yöntemi ilk kez 1855 yılında

bulan ve patentini alan Henry Bessemer’in adıyla anılır. Aynı proses bu konuda

çalışmalar yapan Amerikalı William Kelly tarafından 1851 yılında da keşfedilmiştir. Bu

proses aslında 200lerde Çinliler tarafından uygulanan bir pratiğin geliştirilmesi

şeklindedir.

Temel olarak; ergimiş demir içerisinden hava üfleyerek oksidasyona tabii tutulan

demirin içinden impuritelerin giderilmesi esasına dayanır. Oksidasyon aynı zamanda

demir kütlesinin sıcaklığını yükseltir ve ergimesine katkıda bulunur.

Proses, oval biçimli, kil ve dolomit ile astarlanmış büyük bir çelik konteynırın içindegerçekleşir. Bu konteynıra “Bessemer Konvertörü” adı verilir. Konvertörünkapasitesi 8 tondan 30 tona kadar olabilir; ergimiş metal doldurumu yaklaşık olarak15 ton civarındadır.

Konvertörün üstünde bir açıklık bulunur, bu açıklıktan demir yüklenir ve yineergime tamamlandıktan sonra oluşan eriyik ürün buradan dökülür. Alt taraf “tuyer”adı verilen birtakım delikler ve kanallarla donatılmıştır. Buralardan içeri metalbanyosuna basınçlı hava üflenir; tabanın altında ise”hava kutusu” bulunur. 1,5 - 2.0kg/mm2 basınç altında üflenen hava bu kutudan tuyerlere taksim olur.

Konvertör ortasından geçirilen miller vasıtasıyla şarjı alıp işledikten sonra üretilençeliği geri boşaltabilecek biçimde 180o dönebilecek şekilde iki yatak üzerineoturtulacak şekilde dizayn edilmiştir.

Bu yataklardan birine bağlanmış otomatik bir vana aracılığıyla basınçlı havanınfırına verilmesi sağlanır. Konverter yatay durumda iken hava otomatik olarak kesilir,tekrar dikey duruma geldiğinde hava hemen açılır.

Proses

Asit Bessemer Konverterleri, kuvarsit (SiO2) veya bundan yapılan tuğlalar ile astarlanır.

Konverterin taban kısmı daha çabuk aşındığından genel olarak ayrı yapılır ve havanın

girdiği kısım parça parça çıkarılarak tamir edilebilir veya taban tamamen değiştirilebilir.

Asidik konverterin duvar kalınlığı 25-40 cm olup, tabanında 15 mm çapında 250 kadar

hava üfleme kanalı vardır. Konverterin yüksekliği 6 m, iç çapı ise 3 m olup, 30-40 ton

ham demir alabilecek kapasiteye sahiptir. Bu yöntemde şarj malzemesi olarak yüksek

fırından alınan silisyumlu sıvı pik kullanılır ve şarja fazla miktarda çelik veya pik

hurdası katılmaz.

Silisyum bu yöntemin ısı üreticisi olup, asidik bir cüruf olan SiO2 bileşiğini oluşturur ve

bu nedenle fosfor ve kükürtü bağlayamaz. Geriye kalan oksijeni yok etmek için sıvı

metale ferromangan veya oksijen alıcı (deoksidan) başka maddeler katılır. Bessemer

yöntemi daha çok düşük karbonlu çeliklerin üretiminde kullanılır.

Oksidasyon prosesi silikon, manganez (Mn) ve karbon gibi impuriteleri oksitli

bileşikleri biçiminde uzaklaştırır. Bu oksitler gaz biçiminde uzaklaşabildiği gibi katı

curuf formunda da giderilebilir.

1. Bu yöntem ile kısa sürede çok miktarda çelik üretmek mümkündür.

2. Pikin bünyesindeki yabancı maddeler süratle yok edilebilir.

Avantajları

Dezavantajları

1. Hurdanın ergime sıcaklığının yüksek olması nedeniyle bu yöntemde hurda

işlenemez.

2. Yüksek oranda kükürt ve fosfor içeren ham demirden bu yöntemle çelik

üretilemez.

1876 yılında Thomas Gillahrist ham demirdeki kükürt ve fosforun yakılmasını sağlayan

bir fırın geliştirdi. Bu fırın, Bessemer konverterinin hemen hemen aynısıdır. Tek farkı ise

astarının asidik silika tuğlalar yerine bazik dolomit tuğlalar1a yapılmış olmasıdır.

Yüksekliği 8 m ve iç çapı 5 m olan Thomas konverteri, 100 tona kadar ham demir alabilir.

Thomas konverterinde, çeliğin fosfor oranı %0,06-0,08 değerine düşünceye kadar

üflemeye devam edilir. Yanma ve hava verilmesi sırasında çelik sürekli olarak, %79

oranında azot içeren bir gaz ile temas halindedir. Bu nedenle çeliğin içerisinde %0,012-

0,025 gibi yüksek oranda azot bulunur. Azot ve fosfor oranlarının yüksek olması

nedeniyle Thomas çeliğinin plastik şekil değiştirme kabiliyeti sınırlıdır.

2 .Thomas Yöntemi

Avantajları

• Kısa üfleme süresi içerisinde sisteme enerji vermeden

çok miktarda çelik üretilebilir.

• Fosforun oksitlenerek yanması nedeniyle çelikte

gevrekleşme olmaz.

Dezavantajları

• Üretilen çeliğin şekillenme kabiliyeti çok sınırlıdır.

• Bu yöntemle hurda işlenemez.

Siemens-Martin Yöntemi, Alman Siemens ve Fransız Martin tarafından bulunmuştur. Bu

yöntemde, çelik sabit veya devrilebilen 100 ile 300 ton kapasiteli fırınlarda ergitilir. Fırın

çeşitli refrakter malzemelerden yapılmış olup, büyük bir yüzeye ve küçük bir banyo

derinliğine sahiptir. Taban manyezit veya krom-manyezit tuğlalar ile döşendikten sonra,

yanmış manyezit ile kaplanır.

3.Siemens - Martin Yöntemi

Re-jeneratif ön-ısıtma fırından atılan eksoz gazları, içinde refrakter tuğlalar olan bir odaya

pompalanır. Burada ısı gazdan tuğlalara geçer. Daha sonra Fırına akış ters çevrilir,

böylece yakıt ve hava odadan geçerek içerdeki tuğlalar tarafından ısıtılır.

Re-jeneratörler, fırının karakteristiğini yansıtırlar ve ateş-tuğlalarından imal edilmişlerdir.

Bunlar fırının kenarlarına dizilmişlerdir. Tuğlalar atık gazlardaki ısının tamamına yakınını

absorbe ederler. Daha sonra aldıkları bu ısıyı, yanma için içeri alınan soğuk gazlara

verirler.

Bu metot da Bessemer prosesi gibi astarının türüne göre “asit” ve “bazik” olarak iki

şekilde adlandırılır.

Demir cevherleri ve bundan dolayı, pik demiri yüksek fosfor içerdiğinden dolayı bazik

Siemens-Martin metodu kullanılmaktadır. Bilindiği gibi fosfor asit metotla

giderilememektedir. Bu metot; Bessemer ve BOF’a kıyasla çok daha yavaş olmakla

beraber, tam istenilen bileşime ve sıcaklığa erişilinceye kadar çeliğin fırında tutulabilmesi

bakımından daha iyi kalitede çelik üretilmesini sağlar. Ayrıca ergitmede, istenildiği kadar

hurda kullanabilme imkanı, bu metodun avantajlarındandır.

ġarjı:

İşletme şartlarına ve ham maddelerin elde edilebilirliğine bağlı olarak fırın çeşitli

oranlarda ham maddeler ile şarj edilebilir. Kullanılan ham madde oranlarına göre

5 tip şarj vardır:

1. Tamamen sıcak metal

2. Sıcak metal ve sıvı çelik

3. Çelik hurdası ve sıcak metal

4. Çelik hurdası ve katı pik demir

5. Çelik hurdası

“Çelik hurdası ve sıcak metal” şarjı en fazla kullanılan şarj tipidir. Ayrıca şarja

bir miktar katı pik demiri ilave edilebilir.

Bazik Siemens-Martin Metodu

Si + 2 FeO = SiO2 + 2 Fe ΔH = -70200 cal

Mn + FeO = MnO + Fe ΔH = -26800 cal

C + FeO = CO + Fe ΔH = -37600 cal

2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe ΔH = -45600 cal

Si, Mn ve P’un kimyasal reaksiyonları ekzotermiktir ve hurdanın ergimesine yardım eder.

CaCO3(katı) = CaO (katı) + CO2(gaz)

Bu reaksiyon endotermik olup 800 C civarında başlar. Yüksek sıcaklıklarda bile yavaş

olarak gelişir.

Oksitlenme reaksiyonları:

Yapılış ve işletme bakımından bazik fırına çok benzer. Yalnız asit fırının ocak kısmı siliskumu gibi asit bir refraktörle astarlanır. Ocak kısmının asit karakterde olması, bazik bircuruf yapılmasını önler. Asit curufta fosfor ve kükürt giderilemediğinden, asidik yöntemleçelik üretiminde şarjın P ve S yüzdesinin düşük olması gerekir.

Avantajları

a) Fosfor ve azot oranın düşük olması nedeniyle bu yöntemle üretilen çelikler soğuk şekildeğişimine elverişlidir.

b) İşlem yavaş olduğu için çeliğin bileşimi kontrol edilip, ayarlanabilir. Bunun sonucuolarak Siemens-Martin fırınlarında üretilen çeliklerin içerisinde nispeten düşükoranlarda metal olmayan maddelere rastlanır.

c) Siemens-Martin fırınlarında çelik hurdası kullanılabilir. Pik hurdasından daha azmiktarda yabancı madde içeren çelik hurdası kullanılmakla çelik üretim hızı artırılabilir.

Dezavantajları

a) Bu yöntemde reaksiyon süresi uzun olduğundan az miktarda ürün alınır.

b) Tesisin kurulması ve işletilmesi pahalıdır.

c) Fırındaki alev, alaşımlı çeliklerin ergitilmesi sırasında kıymetli alaşım elementlerininyanmasına neden olabilir.

Asidik Siemens-Martin Metodu:

Çelik üretimi sırasında sıvı metale hava üf1enmesi azotun çeliğe girmesine neden olur.

Azot, çeliğin plastik şekil değiştirme yeteneğini kısıtlayıp, özellikle soğuk

şekillendirilmesini zorlaştırdığı için istenmez. Bu nedenle, hava yerine oksijen üf1eme

yöntemleri geliştirilmiştir.

Bu yöntemlerde, su soğutmalı bir bakır boru içinden banyo üzerine saf oksijen üflenir.

Kazan şeklindeki reaksiyon kabı kapalı bir tabana sahip olup, kolayca sökülüp yer

değiştirilebilecek şekilde imal edilmiştir. Son yıllarda hemen hemen her ülkede oksijen

üfleme yöntemiyle çalışan çelikhaneler kurulmuştur.

4 .Oksijen Üfleme Yöntemleri (Bazik Oksijen Fırını)

Avantajları

a) Saf oksijen kullanıldığından reaksiyonlar daha hızlı

olur ve istenmeyen azotun ısıtılması için enerji

harcanmadığından sıvı metal daha iyi ısınır.

b) Başlangıçta sıvı durumda oluşan cüruf, kireç katkısı ile

bazik duruma gelir. Bu nedenle, fosforun

uzaklaştırılması hemen başlar. Banyo içerisine azot

giremediği için üretilen çelikte çok düşük oranda azot

bulunur.

Bazik Oksijen Fırını, Yüksek Fırından alınan ergimiş demirin sıvı çelik halinegetirildiği konverterlerdir. Bu proses ilk kez, Avusturya’nın çelik üretiminde öndegelen kasabaları Linz ve Donawitz’de geliştirilmiştir. Bundan dolayı BazikOksijen Fırını; LD-Konverteri adıyla da anılır.

Prosese “bazik” denmesinin sebebi, fırın içinde astarlamada kullanılan kalsiyumoksit ve magnezyum oksit gibi pH değeri bazik olan refrakterlerkullanılmasındandır.

Dünyada üretilen çeliğin önemli bir kısmı bazik oksijen fırını kullanılaraküretilmektedir. Günümüzdeki modern fırınlar 350 tona kadar ergimiş demiri şarjolarak alabilmekte ve 40 dakika içinde çeliğe dönüştürebilmektedirler.

Proses

Bazik Oksijen Fırınında (BOF) Çelik Üretimi

1) Konverterin ġarjı

Bazik oksijen metodunda konverterin şarj edilmesinde başlıca dört tip şarj kullanılır:

1) Değişik hurda - Değişik sıvı pik şarjı

2) Değişik cevher - Değişik sıvı pik

3) Sabit hurda - Sabit sıvı pik - Değişik cevher

4) Sabit hurda - Değişik sıvı pik - Değişik cevher.

Bununla birlikte bazik oksijen

fırınlarında, genellikle % 70-80

oranında yüksek fırından gelen

sıvı metal (sıvı pik) ile kalan

kısmını çelik hurdası, kireçtaşı,

dolomit ve deoksidantların

oluşturduğu şarj kullanılır.

2) ĠĢletme

Bazik oksijen fırını yaklaşık olarak 45 derece eğimli iken içerisine doğru hesaplanan

miktar kadar hurda malzeme yüklenir. Daha sonra hemen üzerine sıvı pik metal ilavesi

yapılır.

Konverter dikey duruma getirilir ve oksijen borusu sıvı şarjın üzerine daha önce tespit

edilmiş bir mesafeye kadar indirilir. Banyo ile oksijen borusu arasındaki mesafe 150 cm.

dan 250 cm. ye kadar değişebilir.

Oksijen verilmeye başlandıktan hemensonra üst kattaki bir silo sistemindenbelirli miktarlarda kireç (CaO), fuluşpat(CaF2), dolamit, kolemanit ve tufal (FeO)gibi cüruf yapıcı katkı maddeleri fırınailave edilir.

Kireç sıcak pik demir içindeki Si ve Pgibi istenmeyen elemanlarla birleşerekcürufu meydana getirir.

Oksijenin kısmen kimyasal ve kısmenbanyoyu karıştırıcı etkisi vardır.

Basınçlı oksijen banyoyu şiddetlekarıştırdığından tasfiye reaksiyonlarıhızlanır.

Oksijen sıvı şarjın yüzeyine çarparçarpmaz demir oksidin oluşumuna sebepolan reaksiyonları başlatır.

3) Cürufun kontrolü

Bazik oksijen fırınlarında kireç miktarı hesaplanır, çeliğin içinde kalan S ve P

miktarının kabul sınırlarının altında olması için yeterli kireç ilâvesi yapılır.

İstenilen döküm sıcaklığına ve karbon yüzdesine erişildiğinde fırın döküm tarafına

eğilir ve metal, döküm deliğinden potaya alınır.

Yapılacak çelik cinsine göre hesaplanan ilâve maddeleri, alaşımlar (ferro manganez,

ferro-silisyum, alüminyum v.s.) ve kok fırına, bakır, nikel ve molibden ise potaya

ilâve edilir.

Döküm bittikten sonra fırın ters tarafa döndürülerek cüruf alınır.

4) ġekillendirme

Bazik oksijen fırını ürünü olan çeliğin 1537-1650 C kimyasal analizi yapıldıktan sonra ya

ikinci bir arıtma işlemine yada doğrudan sürekli döküm ünitelerine gönderilmektedirler.

Burada, yani sürekli döküm ünitelerinde katılaşan çelik, yarı bitmiş halde kare, dikdörtgen

veya plaka seklindeki kütükler haline getirilirler.

1)Sıvı Pik Demir : Sıvı haldeki pik demir yüksek fırından bazik oksijen fırınlarına

torpidolarla taşınır yaklaşık % 4,3 oranında karbon, %1 veya daha az Si içerir.

2)Hurda: Bazik oksijen fırınına katılan hammaddenin yaklaşık % 25-30' nu hurda

malzeme oluşturmaktadır. Hurdalarda % Cu, Sn, Ni, Cr, ve Mo oranlarının toplamının %

0,13 değerini geçmemesi gerekmektedir. Aksi halde bu elementler oksitlenerek ortamdan

atılamazlar.

3)Cüruf Yapıcı : Cüruf yapıcıların iki önemli amacı vardır (Kireç ve dolomit) . İlk

olarak sıvı pik metalden oksitlenerek ortaya çıkan SiO 'i bağlarlar. Oluşan cüruf sıcak

sıvı metaldeki kükürt ve fosforu absorbe eder.

4)AlaĢım Elementi : Alaşım elementi ihtiyacı için kullanılırlar. Oksitlenip zarara

uğramamaları için direkt olarak metal şeklinde ilave edilmezler. Kütle halinde içerisinde

sıvı çelik bulunan potalara eklenir.

Bazik Oksijen Fırınına Yüklenen Hammaddeler

Elektrikli fırın yöntemi çelik üretimine çok elverişli olduğu için günümüzde bütün

yöntemlerden daha üstün sayılmaktadır. Fransız Heroult 1899 yılında, bu yöntemin esasını

bularak uygulamaya koymuştur. Bu yöntemle çelik üretiminde ark ve endüksiyon fırınları

kullanılır.

Bazik oksijen fırınlarından farklı olarak, Elektrik ark ocaklarında sıvı pik metal yerine

hurda kullanılır. Hurda çelik elektrik ark ocağına üstten vinçle boşaltılır, ardından ocağın

kapağı örtülür. Bu kapak ark ocağına indirilen üç tane elektrot için boşluk içerir.Bu kapak

üzerinde bulunan sistemde fırın içerisine inip kalkabilen grafit elektrotlar bulunmaktadır.

5 .Elektrikli Fırın Yöntemi

Ark fırınlarının kapasitesi genellikle 200 ton civarındadır. Şekil de de görüldüğü gibi ark 3

grafit elektrotla çelik arasında meydana gelir. Arkın sağladığı sıcaklık sayesinde çelik

ergitilir. Bu sıcaklık, Siemens-Martin fırınlarında ulaşılan sıcaklıktan çok daha fazladır ve

yüksek ergime sıcaklığına sahip alaşım elementlerinin ergitilmesine yetecek düzeydedir.

Elektrotlara verilen akım ile geçen elektrik bir ark oluşturur ve açığa çıkan ısı hurdayıergitir.

Metal ergimiş durumdayken bazik oksijen fırınlarında olduğu gibi çeliği saflaştırmakiçin fırın içerisine oksijen üflenebilir. Bu işlemde kullanılan elektrik miktarı 100.000kişilik bir şehrin ihtiyacını karşılayacak miktarı aşabilmektedir.

Hemen sonra ark ocağı diğer yana yatırılıp (45 ) erimiş çelik bir potaya aktarılır.Buradan çelik ya pota metalurjisi işlemine tabii tutulur yada sürekli döküm ünitesinegönderilir.

Bazik Oksijen Fırını (BOF) da oksijen metalin içine enjekte edilir ve orada çözünür.

EAO’da, oksitleyici şartlar cüruf fazıyla sağlanır. Oksitleyici bir cüruf yapılır (yüksek

oranda demir oksit 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.

Ergitme işlemi esnasında elde edilecek çelikte gerekli kimyasal kompozisyonu sağlayacak

şekilde diğer demir esaslı metaller (ferro-alaşımlar) ilave edilir.

Ayrıca yapıdaki demir dışı atıkları bağlayarak cüruf oluşturacak katkı maddeleri (flakslar)

ilave edilir.

Çeliğin bileşimi istenen sınırlara gelmiş

ise sıvı çelik banyosundaki oksitleri almak

ve oksijen seviyesini minimuma indirmek

için banyoya, deoksidanlar ilave edilerek

deoksidasyon yapılır. Al, ucuz ve bol

olduğu için tercih edilir.

Son olarak sıcaklık ve bileşim kontrolü

yapıldıktan sonra güç düşürülür ve

gerekirse bazı ilaveler yapıldıktan sonra,

yeterli sıcaklığa ulaşılmışsa döküm alınır.

Genel kural olarak çeliğin ergime

sıcaklığının 100 C üzerinde bir sıcaklıkta

döküm alınır.

İndüksiyon ocaklarında, metal içinde manyetik alan oluşturmak için bir bobinden geçenalternatif akım kullanır.

İndüklenen akım, hızlı ısıtma ve ergitme sağlar. Elektromanyetik kuvvet alanı, ayrıca sıvımetalde karıştırma etkisi oluşturur.

Metal, ısıtıcı elemanlarla temas halinde olmadığından, yüksek kalitede ve saflıkta ergimişmetaller üretmek için ortam iyi bir şekilde kontrol edilebilir

6. Ġndüksiyon Ocakları

Bu tip fırınlar genelde 16 ton kapasiteli olup, dökümhanelerde yüksek alaşımlı çeliklerin

ergitilmesinde kullanılır. Bu tip fırınlarda alev bulunmaması alaşım elementi kayıplarını en

aza indirir. Söz konusu fırınlar asidik veya bazik astarlı olurlar.

Asidik astarlı fırında fosfor ve kükürt giderilemez. Bazik astarlı fırında ise bu elementler

büyük ölçüde giderilir. Asidik astarlı fırında ergitme süresi daha kısadır ve bu yüzden

elektrik tüketimi daha azdır.

Bu yöntemin belli baĢlı avantajları:

a) Elektrikli fırınlarda oksitleyici bir alev

bulunmadığından alaşım elementlerinin yanma oranı

düşük olur. Bu nedenle, alaşımlı çeliklerin

üretilmesinde ekonomik yararlar sağlar.

b) Sıcaklık ve atmosfer kolay kontrol edilebilir.

c) Atmosfer kontrolüne ek olarak, önce oksitleyici sonra

da indirgeyici cüruf oluşturma olanakları mevcut

olduğundan temiz çelik elde edilir.