Önceki yazımda boyut büyütme işlemlerinden biri olan sinterlemeyi kaleme almıştım. Kırılıp, öğütülen cevherin hem kırma mukavemeti kazanması hem de toplam yüzey alanının artması için kimyasal katkı olmaksızın yapılan aglomerasyon işlemine sinterleme demiştik.
Küçük taneli ve ince toz halinde bulunan metal cevherleri bir fırın içerisinde yüksek sıcaklıkta bekletildiklerinde yüzeylerinde filmleşme görülür. Yüzeylerinin birbirini tutmasıyla taneler birleşir ve son tane boyutu orijinal tane boyutuna göre büyümüş olur. Bu işlemin gerçekleşmesi için cevherin ergitilmesine veya başka bir kimyasal bağlayıcıya gerek yoktur. Bu yolla elde edilen cevhere sinter cevher denir. Eğer sinterleme yolu ile birbirini tutamayacak kadar pasif ve yüksek ergime sıcaklığına sahip cevhere sahipsek, bağlayıcı kimyasallar katkılarız ve pelet adını verdiğimiz cevher türünü elde ederiz. Uygulamadaki tek fark kimyasal bağlayıcı yoluyla tanelerin birbirini tutmasıdır.
Demir üretimine gelecek olursak… Demir cevheri doğada en fazla hematit (Fe2O3) ve manyetit (Fe3O4) şeklinde bulunur. İndirgenme yetileri sırasıyla limonit sonra hematit daha sonrada manyetittir. İndirgenme kabiliyetlerini bir önceki yazımda açıklamıştım. O açıklamaları da göz önünde bulundurarak demir üretimine giriyoruz.
Topraktan çıkarttığımız demir cevherini kırıp, öğütüp sonra sinterlediğimiz bölümü hızlı adımlarla geçiyorum çünkü pirometalürjik işlemleri zaten yeterince karmaşık. Sülfürlü bileşiklerinden kurtulmak amacıyla önce kavurma fırınına alınır ve bir süre bu fırında sülfürün yanarak ortamdan uzaklaşması beklenir. Bu esnada SO2 gazı çıkarken, demir mineralimizde bol oksit ihtiva ettiği bir faza geçer ve indirgenme kabiliyeti artar. Kavurduğumuz cevherimizi yüksek fırına verme zamanı geldi.
Yüksek fırın –şeması aşağıda- adını verdiğimiz yüksekliği 15 ile 35 metre arası değişen –cehennemlikte denir- katlardan ve raflardan oluşan, yukarıdan şarj malzemesi ilave edilen ve aşağıdan yüksek basınçlı sıcak hava üflenen bir fırında demir cevheri ısı ile muamele edilir. Unutulmaması gereken bir şey daha demir cevheri içerisinde topraktan çıkarıldığı andan itibaren başına gelen tüm işlemlerden kurtulan ve ısrarla cevherimizde safsızlık yaratan kaçakların olduğudur. Bunların başında silika ve mangan gelir. Sadece pirometalürjik işlemlerle SiO2 fazında bulunan silisyumdan kurtulmak neredeyse imkânsızdır. Bu noktada imdadımıza “flux” adını verdiğimiz ve cevherde istenmeyen –gang- silikayı tutacak olan kireç taşı koşar yetişir. Kireç taşı yüksek oranda CaCO3 içerir ve cehennemlik denen yüksek fırının ortalarına doğru olan bölgelerinde (karın bölgesi) sıcaklığın 900 derece üzerine çıkmasıyla CaO ve CO2 e yıkılır. CO2 birazdan anlatacağım kok indirgenme reaksiyonunda karbon donörü olarakta yardımcı olurken, CaO hem bazik karakterinden dolayı hem de kimyasal ilgisinden dolayı, asidik karakterli SiO2 yı yakalar ve CaSiO3 (kalsiyum silikat) çökertir. CaSiO3’ın erime sıcaklığı ve yoğunluğu silikaya göre nispeten daha düşüktür ve dipte oluşan pik demirin üzerinde cüruf olarak kalır. Böylece ta en baştan demir cevherimizin içinde istemediğimiz zararlımız SiO2 tutulmuş ve yapıdan uzaklaştırılmış olur.
Kaynak: https://dosya.sakarya.edu.tr/…/292374119_demir_celik_metalurjisi
Demir üretimi esnasında yüksek fırın altından üflenen sıcak hava reaksiyonların gerçekleşmesi için gerekli enerjiyi sağlamakta yetersizdir. Hem enerji sağlamak hem de kavurma sonrası sülfürle yer değiştiren oksijeni de uzaklaştırıp saf metal elde etmek –yani indirgenme için- amacıyla ortama oksijeni çekecek ve enerji verecek bir malzemenin ilavesi şarttır. Bu noktada mühendislerin tek çaresi yüksek fırın içerisine kömür atmaktır. Fakat bu kömür bildiğimiz kömürden çok farklı… Nasıl mı?
Metalürjik kok kömürünü belki duymuşsunuzdur. “Nereden çıktı şimdi kok?” biz onunla mangal filan yapıyoruz dediğiniz duyar gibiyim ama bu sandığınız kok o kok değil. Kömür gibi katı hidrokarbon yakıtlar doğada 3-4 farklı şekilde bulunurlar.
Çok yüksek oranda karbon içeren fakat tutuşturucu veya uçucu madde olarak bilinen olefinleri neredeyse hiç içermeyen ve bu yüzden çok zor tutuşan antrasit, %70 dolaylarında karbon, %20~25 dolaylarında olefin ve geri kalanında ısıyı uzun süre tutacak olan kül –çeşitli metaloksitler- içeren taş kömürü, %50 civarında karbon, %40 civarında olefin içeren düşük enerjili ve çabucak yanıp sönen linyit metalürji mühendislerinin yüksek fırında indirgenme işlerini görmezler. Bu yüzden tüm bu kömür türlerinden başka bir tür kömüre hayli ihtiyaç vardır.
Karbon oranı yüksek, tutuşabilme kabiliyeti yüksek, yandığı vakit fazlaca ve uzun süreli ısıveren tek kömür tipi kok kömürüdür. Kok kömürü, taş kömürünün oksijensiz ortamda 600 derece civarına ısıtılıp bekletilmesiyle elde edilir. Taş kömürü içerisindeki uçucu hidrokarbonlar o sıcaklıklarda oksijen bulamadıkları zaman buharlaşmaya başlarlar. Terk ettikleri yerlerde boşluklar oluştururlar ve böylece kömür tanelerinin toplam yüzey alanı artmış olur. Hem tutuşma kabiliyetleri hem de yanma verimleri artmış olur.
Metalürjik kok kömürü, sinter veya pelet cevher ve kireç taşı karışımına şarj adı verilir. Şarj, yüksek fırının en tepesindeki çan adı verilen özel haznelerden içeriye boşaltılır. Aşağıdan da 700 derece civarında sıcaklığa sahip basınçlı hava üflenir. Fırın içerisinde kok ile indirgenen demir sıvı halde en dipte toplanır. Fırın içerisinde gerçekleşen reaksiyonları aşağıda veriyorum. Üzerinde cüruf adını verdiğimiz CaSiO3 birikir. Bu demirin adı pik demirdir ve çelik sayılamayacak kadar yüksek oranda karbon ihtiva etmektedir.
3 Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 @300°C
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 @600°C
FeO + CO → Fe + CO2 @1000°C
F3O4+4C → 3Fe + 4CO
Fe2O3+3C →2Fe + 3CO
2FeO+ Si → 2Fe+ SiO2
Karbon alma reaksiyonu
3 Fe+2CO→ Fe3C + CO @750~1150°C
Cüruf reaksiyonları
CaO + SiO2 → CaSiO3 @~850°C
MgO + SiO2→ MgSiO3 @~850°C
Pik demirden çelik elde edilmesi esnasında birçok yöntem mevcuttur. Sizleri sıkmamak ve bu yazıyı da daha fazla uzatmamak adına bu konuyu Üretim Metalurjisi’ndeki bir sonraki yazıya bırakıyorum. Takipte kalınız…
Okan Gençoğlu
Ondokuz Mayıs Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
