Soru: demir hangi aşamalardan geçer ?
Soru: demir hangi aşamalardan geçer ?
Cevap: demir hangi aşamalardan geçer
İnsanoğlu demir ve çelik elde etmek için günümüze gelinceye dek pek çok yöntem geliştirmiştir. Kullanılan ilk yöntemde, odun kömürünün yakılması ile oluşan redükleyici karbonmonoksit gazı aşağıdaki reaksiyonda görüldüğü gibi demir cevheri tepkimeye girerek sonuçta demir elde edilmiştir. Bu reaksiyon:
Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2 denklemi ile gösterilebilir.
1350’li yıllarda ilkel yüksek fırınlar kullanılarak pik veya ham demir üretilmeye başlanmıştır.1800’lü yıllarda çelik üretiminde büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Özellikle,1855 yılında uygulanmaya başlanan Bessemer yöntemi ve daha sonra uygulanan Siemens-Martin yöntemi sayesinde çelik üretiminde büyük artışlar sağlanmıştır. Demir ve özellikle çelik üretiminde meydana gelen hızlı gelişmeler sonucunda endüstri devrimi gerçekleşmiş, üretim araçlarındaki niteliksel gelişmeler ile de teknoloji alanında da ileriye doğru adımlar atılmıştır. Günümüzde ise demir ve çelik sanayi sektörünün temel girdisi haline gelmiş, demir çelik üretimi ve tüketimi ülkelerin gelişmişlik düzeyinin bir ölçüsü olarak kabul edilmiştir.
Dünyadaki demir üretiminin %95’i yüksek fırın yöntemiyle gerçekleştirilmektedir. Yüksek fırınlar, kok tüketimini azaltmak ve günlük üretim kapasitesini artırmak amacıyla sürekli olarak geliştirilmektedir. Gelişen teknoloji ile birlikte artan çelik talebini karşılamak amacıyla büyük hacimli yüksek fırınlar yapılmış olup, bu fırınlarda günde 5000 tonluk üretime ulaşmıştır.
Ham demir(pik) yüksek fırında üretilir. Bu işlem için demir cevheri, katkı maddeleri, yakıt ve hava kullanılır. Demir cevheri; demir oksitler, demir karbonatlar ile bunların içerdikleri SiO2,Mn, P,S ve Al2O3 gibi katkı maddelerinden oluşur. En önemli demir cevherleri aşağıda verilmiştir.
Hematit:%40–60 Fe içerir ve kırmızı renklidir
Magnetit:%50–70 oranında Fe içerir
Limonit:%30–40 Fe içerir.
Siderit:%30–40 Fe içerir.
1-)YÜKSEK FIRINDA HAM DEMİR ÜRETİMİ
a)Modern yüksek fırının yapısı:
Yeni yüksek fırınlar günde 2000 ton ham demir üretebilecek şekilde yapılmıştır. Yükseklikleri yaklaşık 26,00 m,taban haznesi çapı ise 9,00 m dır. Yüksek fırınlar çelik saçların birbirine kaynak edilmesi ile inşa olunur. İçeriden de şamot tuğlalarla örülmüştür. Ayrıca duvarı 1 m. Kalınlığı getirilerek kuvvetlendirilmiştir. Gövdenin soğutulması su ile olur. Gövde çevresine bu iş için soğutma plakaları yerleştirilmiştir. Taban haznesi de dıştan su ile soğutulur. Bütün fırın ayrıca çelik bir konstrüksiyonun içerisine yerleştirilmiştir. Sıcak hava, yüksek fırın gazı ve yüklemeye ait bütün donanımlar çelik yapı içerisinde yer alır. Çelik yapı tavanının ise, tamir ve montaj işlerinde kullanılmak üzere hareketli bir vinç yerleştirilmiştir.
Üst kısım: yüksek fırının en üst kısmıdır. Bu kısımda silo, çan ve çan kapağı bulunur. Ayrıca yüksek fırın gazları borularla buradan dışarı çekilir. Şarj çan kapakları vasıtası ile yüksek fırın gazı kaçmayacak şekilde fırına boşaltılır.
Gövde: fırının uzun ve aşağı doğru genişleyen kısmıdır. Bu kısımda kömür-cevher karışımı aşağı doğru hareket eder. Şarjın fırın içerisinde yayılma süresi yaklaşık 9 saat kadardır.
Karın: fırının alt tarafında yeniden daralmaya başlayan kısımdır. Kısmi ergime nedeniyle bu kısımda fırın hacmi küçülür.
Hazne: cüruf ve demirin toplandığı fırının alt tarafındaki silindirik kısımdır. Haznenin üst bölümünde 22…24 adet bakırdan mamul üfleme borusu yerleştirilmiştir. Bunlar su soğutmalıdır ve havaya tüyerler yardımı ile fırına üflerler. Biraz daha aşağıda, yine su soğutmalı bakır borulardan yapılmış cüruf akıtma delikleri bulunur. Deliklerden devamlı olarak cüruf boşaltılır. Haznenin en alt kısmında ise, ham demirin boşaltıldığı delik yer alır. Bu delik her boşaltma işleminin ardından ateşe dayanıklı maddeyle tıkanır.
Hesaplanmış miktarlardaki cevher, gang ve diğer ilave maddelerden oluşan karışıma fırın şarjı denir. Şarjın bileşimini ayarlarken amaç, düşük ergime noktalı ve bazik karakterli bir cüruf elde etmektir. Ancak bu tip bir cüruf, asit yapıcı kükürdü bağlar ve kükürtçe fakir bir ham demir üretimini sağlar. İlave madde olarak bu nedenlerle en iyi kireç taşı CaCO3 veya yanmış kireç CaO kullanılır.
Sıcak hava 600o…1000oC arasına ısıtılır ve 1…1,5 atmosfer fazla basınç ile fırına üflenir. aksiyal kompresörlerde üretilen bu hava, ısıtıcılardan geçtikten sonra fırının haznesi çevresindeki ana hava simidi vasıtası ile üfleme borusundan tüyerlere üflenir. Üflenecek havanın miktarı kullanılacak kok miktarına göre ayarlanır. Bir ton kok başına 3000 normal m3 hava kullanılır.
Hava ısıtıcı sobalar, çelik saçtan yapılmış 35 m yükseklik ve 8,5 m çapta olan silindirlerdir. Sobanın içi ısı izolatörleri ile iyice korunmuş, büyük bir yüzeye sahip olan, tuğladan örülmüş bir ızgaradan oluşmuştur. Bir metreküp tuğla duvarın yüzeyi yaklaşık olarak 30 m2 dır. Soba duvarı ilk olarak yüksek fırından çıkan gazlarla yaklaşık bir saat kadar ısıtılır. Duvarların ısınma işlemi sona erdikten sonra sobaya hava üflenir. Duvarların sıcaklığı sayesinde soğuk hava maksimum 1100o’a kadar ısınır. Şayet havanın sıcaklığı bir süre sonra istenilen sıcaklığın altına düşerse ikinci bir sobadan geçirme işlemi ile bir daha ısıtılır. Bir yüksek fırın için iki hava ısıtıcı sobaya ihtiyaç vardır. Bir üçüncüsü ise yedekte hazır olarak bekletilir.
Hava ısıtıcıları ilk defa Cowper tarafından inşa edildiği için(1858) bu isimle de tanınır
Yüksek fırında kullanılan kok yoğun ve basınca dayanıklı olmalıdır. Bu nedenle kok transport sırasında kırılmaması için, tercihen tesis tarafından üretilir. Tane büyüklüğü 80…120 mm civarında olmalıdır. Kok sarfiyatı eskiden bir ton ham demir için 1000 kg kadardı. Bugün, cevher hazırlama usullerindeki ilerlemeler ve yüksek fırının geliştirilmesi sonucu bu miktar bir ton ham demir için 650 kg.a düşürülmüştür. Yüksek fırının yüksekliği kokun mukavemeti ile belirlenir.
b)Yüksek fırın ürünleri:
Yüksek fırın gazı gang ve şarja bağlı olarak değişen bileşimlerdir. En önemlileri bileşenleri şunlardır:
10…14 % CO2, 25…30 % CO
50…60 % N2, 100…200 g H2O
10…40 g toz (1 normal m3 kuru gaz içerisinde)
Kalorifik değeri düşüktür ve yaklaşık 800…1000 kcal/m3 civarındadır. Yüksek fırın gazının 25 % kadarı, hava ısıtıcı sobaların ısıtılmasında kullanılır. Geri kalan kısmı ise, yardımcı tesislere gider. Bunların arasında ısıtma sobalarını, sinter tesislerini, kok fabrikası ile büyük gaz makineleri veya buharla çalışan enerji üretim tesislerini sayabiliriz.
Cüruf, büyük miktarlarda teşekkül eder. Ortalama olarak 1000 ton ham demir için 800 ton cüruf oluşur. Fakir cevherlerde bu miktar 1000 tona çıkar. Düşük yoğunluğu nedeni ile cürufun hacmi, ham demirinkinden hemen hemen 3 defa daha büyüktür. Özel cüruf değerlendirme tesislerinde cüruf ayrıca işlenir. Kireç bakımından zengin cüruflar işlenerek yüksek fırın çimentosu veya demir portland çimentosu haline getirilir
Köpüklü cüruf, yüksek fırın taşı denilen gözenekli bir taş meydana getirir. Taş blok olarak veya beton olarak kullanılabilir. Elverişli cüruflardan buhar üflemek suretiyle cüruf yünü de üretilebilir. Bu yün cam yünü gibi iyi bir ısı izolatörüdür. Ham demir, yüksek fırının ana ürünüdür ve belli aralıklarla fırın delinerek boşaltılır. Boşaltma işleminden önce haznedeki delik yakılarak açılır.
Ham demir, açılan delikten zemindeki kum içerisine dökülür. Kum, yüzeyinde açılan döküm kanallarından geçtikten sonra ham demir tavalarına dolar. Bu sırada sıvı ham demir üzerine kürekle soda atılarak kükürdü giderilir. Thomas ve çelik pikleri sıvı halde çelikhaneye gönderilir. Ham demirin taşıdığı tavalar 60…65 ton hacmindedir ve saatte sadece 10oC soğurlar. Daha büyük taşıma imkânı 250 ton kapasitedeki torpedo arabalarıyla mümkündür. Ham demir kısmen 100km uzaklıkta bulunan çelikhanelere dahi taşınır.
Dökümhane pikleri, dökümhane makineleri ile kütükler halinde dökülür. Dökümhane zemini üzerindeki kum içerisine oyulmuş yataklara yapılan döküm bugün, yalnız arızalı durumlarda yapılmaktadır. Ancak küçük bir yüksek fırınla, özel pik çeşitleri üreten tesisler, bu tip bir döküm yapmaktadır.
c)Yüksek fırındaki kimyasal olaylar:
Yüksek fırın içerisine üflenen sıcak hava kok kömürünü yakarak karbondioksit CO2 haline dönüştürür. CO2 ise yüksek sıcakta kok ile yeniden reaksiyona girerek karbonmonoksit CO şeklinde parçalanır. Bu reaksiyonlar sonucu asıl bileşenleri azot N2 ve karbonmonoksit CO olan bir gaz fırın içerisinde yükselir.
Karbonmonoksit doymamış bir bileşiktir. Daha fazla yanması mümkündür ve oksijeni kendisine bağlamayı çok sever. Çok iyi bir redükleyici olmasının diğer bir nedeni de gaz olarak her yere nüfuz edebilmesidir. Bu nedenle poröz ve çatlaklı cevherler daha kolay redüklenebilirler. Karbonmonoksit fırın içerisinde yükselirken redüksiyon işlemi de demir oksitler üzerinde kademeli olarak gerçekleşir. Azot reaksiyonlarda yer almaz ve değişime uğramaz.
Ön ısıtma: Fırının üst kısmında nem ve kristal suyu buharlaşır; biraz altında ise yüksek sıcaklıklarda karbonatlar parçalanır:
CaCO3 àCaO + CO2 Endoderm
FeCO3 àFeO + CO2 reaksiyon
Bu reaksiyonlar için gereken ısının kok ve sıcak havadan alınması icap eder.
Redüksiyon: Fırının daha alt kısımlarında yaklaşık 400oC ‘da endirekt redüksiyon vuku bulur ve cevherler oksijence fakirleşirler. 800oC’da , demir süngeri tabir edilen sert, sünger yapısında demir teşekkül eder. Bu bölgede şu reaksiyonlar olur:
3Fe2O3 + CO à 2Fe3O4 + CO2 Endoderm
Fe3 O4 + CO à3FeO+ CO2 Endoderm
FeO + CO àFe+CO2 Ekzoterm
Son reaksiyondan elde edilen ısı ile ilk iki reaksiyon için gerekli redüksiyon ısısı karşılandıktan başka, bir miktar artık ısı da meydana gelir.
Yaklaşık 750oC’dan sonra daha yüksek sıcaklıklarda demir oksidin kızgın kok ile teması sonucu direkt redüksiyon oluşur
Fe3O4+4C→3Fe+4CO endoderm
FeO+C→Fe+CO endoderm
Aynı anda karbon kısmen yanar ve CO teşekkül eder. Bu reaksiyon demir oksitlerin redüksiyonu için gerekli ısıdan daha azını verdiği için dikert redüksiyon sırasında ilaveten kok yakılması gerekmektedir.
Korbürizasyon: katı halde yaklaşık olarak 900oC’da başlayan demir karbür Fe3C teşekkülüne denir.
3Fe+2CO→Fe3C+CO2
Daha sonraları kızgın kok ve demir arasındaki reaksiyon sonucunda demir karbür meydana gelir.
3Fe+C→Fe3C
Demir karbür hem katı hem de sıvı içerisinde çözünür. Bu nedenle teşekkül eden karbonlu ham demirin saf demire göre ergime noktası düşer.
Sıvı haldeki demir haznenin en alt bölgesine yerleşir. Daha hafif olan cüruf sıvı demirin üzerinde yüzer.
Kükürt giderme: kükürt yalnız zengin kireç ihtiva eden bir cürufta bağlanabilir. Fakir, asidik bir cüruf içerisinde ergitilmesi gerekmektedir. Aksi takdirde büyük miktarda kireç ilave edilmesi lazımdır ki, bu işlem de gerekli kok miktarını çok arttırır. Bu şekilde çalışan bir yüksek fırının, ekonomik yönden cürufu ana ürün olarak satması gerekirdi. Asidik yüksek fırın cürufları ile çalışan tesislerde, akıtılan ham demir içerisinde kükürt bulunur. Akıtma sırasında veya sıvı demirin toplandığı kaplar içerisinde soda ilave edilerek kükürt bağlanır.
Çelikhanede ham demir, ham demir mikserleri denilen silindirik kaplarda toplanır. Kapların hacimleri 500…2000 t arasındadır. Yana doğru devrilecek şekilde yapılmış olan bu kaplar yüksek fırın ve çelikhane arasında ara istasyon vazifesi yaparlar. Değişik analiz neticeleri veren farklı bileşimlerdeki sıvı ham demir, bu sayede birbirine karışır. Aynı anda, en önemlisi olarak kükürt giderme işlemini sayabileceğimiz, bazı reaksiyonlar da oluşma fırsatı bulurlar.
d)Demir üretim usullerine genel bir bakış:
Dünya demir üretiminin 95% ini kapsayan yüksek fırın prosesi yanında birçok memleketlerde diğer bazı usuller geliştirilmiştir. Bunun başlıca sebebi uygun kok kömürünün az oluşudur.
Yüksek fırının şarj kolonu içerisindeki yüksek basınca sadece belirli kömür çeşitlerinden üretilen yüksek fırın kokları dayanabilmektedir. Genellikle cevherler toz halinde olduklarından yüksek fırına verilmeden sinterleme veya peletlemeye tabi tutulurlar.
Bu tip farklılıklar gösteren yaklaşık olarak 40 usul günümüzde bilinmektedir. Yeni usullerde daima kokun yerine, daha fazla kok haline getirilemeyen toz kömürü, maden kömürü, tabii gaz veya petrol kullanılması yoluna gidilmektedir. Bu sayede ince toz halindeki cevherleri doğrudan doğruya işlemek mümkün olmaktadır. Diğer usullerin ürünü genellikle 1%’e yakın karbon ihtiva eden poröz demiridir. Cevherden sıvı yerine süngere benzer bir yapısı olan ve demiri süngeri olarak adlandırılan demir üretilir. Usulün çeşidine göre demir süngerinden 70% ila 99% demir vardır. Saflık derecesine göre bu demir sinterlenmiş demir tozu halinde işlenir ve elektro fırınına şarj edilir. Demir oksit ve kükürt miktarının fazla olduğu durumlarda ise yüksek fırın şarjına ilave edilir. Yüksek fırın prosesi de kok sarfiyatını azaltmak ve günlük üretim kapasitesini arttırmak amacıyla devamlı olarak geliştirilmekte ve otomatikleştirilmektedir. Gelişmelerde ölçü olarak şu değerler verilebilir:
Şarj için ön hazırlık: eşit boyda taneler toz elekten geçirilip ayrılır
Band üzerinden yüksek fırın şarj malzemelerini fırına vererek kok veya şarjın daha iyi karışması sağlanır
Alınan bu yeni tedbirler sayesinde bir ton ham demir üretimi için kullanıla kok miktarı 500 kg.a düşürülebilmiştir.
bilgiler çok yardımcı oldu sağolun