Elektrik Ark Ergitme Fırınları ile Çelik Üretimi

Yüksek Fırınlardan alınan demire ham demir, bu demirin katılaşmış haline ise pik demir denir. Genel anlamda çelik olarak anılan malzemenin ana bileşeni demir metalidir. Yüksek Fırınlardan alınan bu metal ile hurdaların ergitilmesinin ve istenilen bileşim aralığı için arıtmanın yapıldığı fırınlardan biri de Elektrik Ark Fırınları’dır.

Tanım: Genellikle iki grafit elektrot arasında düşük gerilim ve yüksek akım uygulanarak açığa çıkan ısı ile metalin ergitildiği fırınlardır. Bu cihazlarda sıcaklık 3000 °C’ye kadar çıkabilmekte ve kapasiteleri de 150 kg ile 200 ton arasında değişmektedir.

Bu fırınlar endüstride kütle halinde üretilen, yüksek kaliteli ve alaşımlı çeliklerin üretiminde kullanılırlar. Ark voltajının ani düşüşü söz konusu olduğundan yüksek ısı için yüksek akıma gereksinim duyulur.

Elektrik Ark Fırınları elektrot düzeni bakımından 3’e ayrılır:

• İndirekt Isıtmalı Ark Fırını: Elektrotların ucu açıkta ve karşılıklı konumlandırılır. Arada oluşan radyasyon ile metal ergitilir.
• Direkt Isıtmalı Ark Fırını: Burada elektrotlar metale yönlendirilmiştir ve ark, elektrotlar ile metal arasında oluşur. Bu makalede bu tip ark fırını ile elektrik ark fırınları anlatılacaktır.
• Örtülü Ark Fırını: Elektrotlar metalin içine gömülüdür. Dolayısı ile burada elektrotlar bir iletken ile birbirleriyle temas halindedir.

Çalışma Prensibi

Elektrik Ark Fırını’na hurda, pik demir, cüruf yapıcılar, kok tozu, sıvı oksijen verilir. Cüruf, toz, baca gazları ve sıvı çelik elde edilir.

İlave edilecek hurdaya ön ısıtma yapılması fırının iç sıcaklığını daha az değiştireceğinden tasarruf açısından önemlidir. Bu ısıtma, baca gazlarıyla beraber fırından dışarı çıkan ısı ile yapılır.

Elektrotlar fırın içinden kaldırılır ve fırının üst kapağı açılır. Cüruf yapıcı olarak kireç, kireç taşı ve fluşpat; tamir malzemesi olarak dolomit ve magnezit; alaşımlama ve deoksidasyon için Fe-Mn, Fe-Si, Fe-Cr, vb.; karbon vermek için koktozu; ergimeyi hızlandırmak için sıvı oksijen ve karbon tavsiyesi için de hematit fırına verilir. Hurda yığınının 20-30 mm üzerinden ark oluşacak şekilde elektrotlar konumlandırılır. Elde edilen ark, elektrotlardan şarja elektrik akımının iletilmesini sağlar ve bu akımdan kaynaklı ısı ile metal ergimesi başlar.

Hurdalar kademe kademe şarj edilir. Her hurdanın ergimesinden sonra bir sonraki hurda fırına verilir. Bu aşama ergitme aşamasıdır. Bu aşamada fırın, yüksek güç ile çalıştırılır. Ergitme tamamlandıktan sonra güç düşürülerek sonraki aşamaya geçilir: Arıtma.

Arıtmada amaç ergiyiğin içerisindeki istenmeyen yapıları uzaklaştırmaktır. İki kademede yapılır: Oksidasyon ve Redüksiyon

Oksidasyon kademesi Bazik Oksijen Fırın (BOF)’lara benzer sistemle işler. Burada ergiyik içine cüruf-metal arayüzeyinden oksijen verilerek daha çok empüritenin cürufa çıkması sağlanır.

Bu sırada şu reaksiyonlar gerçekleşir:

2C + O₂  →  2CO

Oluşan CO tekrar oksijen ile reaksiyon vererek

2CO + O₂  →  2CO₂     oluşturabilir.

Kükürt, fosfor, mangan, silisyum vb. yapılar da oksitlenerek cürufa geçer ve ya baca gazı olarak çıkarlar:

Si + O₂  →  Si O₂

4P + 5O₂  →  2P₂O₅

2Mn + O₂  →  2MnO

CaCO₂  →  CaO + CO₂

S + CaO  →  CaS + ½ O₂

4Cr + 3O₂  →  2Cr₂O₃

Yine burada ana komponent olan demir de oksitlenerek cürufa geçebilir:

2Fe + O₂  →  2FeO

Bu durumda antioksidan özelliği sebebiyle fırına bir miktar Alüminyum ilave edilebilir.

Oluşan oksitli yapıların özkütlesi ergiyik metalden az olduğu için cüruf üstte toplanır ve hidrolik sistem ile fırın yan yatırılarak alınır. Cürufun bileşimi şu şekildedir:

Redüksiyon işlemleri demir bileşiklerini bozarak demiri serbest hale getirmektir. İlave edilen hematit ile C ve ya CO reaksiyona girer ve

Fe₃O₄  + CO  →  3FeO + CO₂

FeO  +  CO  →  Fe + CO₂

Fe₃O₄ +  2C  →  3Fe + 2CO₂

2FeO + C  →  2Fe + CO₂         yapılarını oluşturur.

Bu işlemlerden sonra kimyasal kompozisyon analizi yapılır. Eğer istenilen aralıklarda komponent bileşim yüzdesi mevcutsa hidrolik sistemle fırın yan yatırılır ve sıvı çelik potaya alınır. Yine potada istenilen alaşım ilaveleri yapılabilir.

Elektrotlar: Enerji kaybının minimum seviyede olması için elektrotların iletkenliği iyi olmalıdır. Ark, akım ve enerjinin çok büyük bir kısmı elektrotlar ile oluşmaktadır. Ayrıca elektrotlar fırın içinde ergimeye maruz kalmamalı ve oldukça kararla olmalı ki ergiyik ile minimum seviyede kimyasal reaksiyon oluştursun. Hiçbir işlem %100 verimle gerçekleşmeyeceğinden ark fırınlarında kullanılan oldukça kararlı ve iyi iletkenliğe sahip grafit elektrotlar dahi zamanla ark etkisiyle atomlarına ayrışıp oksidasyon ile gaz olarak ortama terk etmektedirler.

Refrakterler: Fırının iç potası yüksek ısıl dayanımları nedeniyle refrakter malzemelerle kaplıdır. Bu kaplama sık sık ısı değişimlerine maruz kalır. Bu nedenle refrakterlerin ısıl değişim kararlılıkları iyi seviyede olmalı ve iletkenlikleri kötü olmalıdır. Kararlı yapıda olması ergiyik ve elektrotlarla kimyasal reaksiyon vermemesi açısından önemlidir. Ne kadar kararlı olsa da ergiyik ve cürufla sürekli temas yüzünden bir ton çelik üretiminde ortalama 5-15 kg refrakter zarar görmektedir.

Hamdi Ekici
İstanbul Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

Kaynakça:

1. http://www2.bayar.edu.tr/muhendislik/endustri/Demircelikuretimi.pdf
2. http://www.kuark.org/2014/03/bazik-oksijen-firinlari-ile-sivi-ham-demirden-celik-uretimi/
3. http://www.kuark.org/2014/02/yuksek-firinlar-ile-ham-demir-uretimi/
4. http://www.kuark.org/2013/08/celik-ve-ozellikleri/
5. Mühendislik Alaşımlarının Yapı ve Özellikleri – Cilt1, W. F. Smith, çev: M. Erdoğan, Nobel Yayınları, Ankara 2000
6. Çelik Seçimi, H. Çimenoğlu-K. Şeşen, TMMOB Metalurji Mühendisleri Odası, İstanbul 2003
7. World Steel in Figures-1993, Ironand Steel Engineer, vol. 70, No:9, September 1993