DEMİR ÇELİK METALURJİSİ

DERS NOTLARI

HAZIRLAYAN ÖĞR. GÖR.Hafize YEĞEN

Kasım - 2000

Ders Notları - 1

1

1. DEMİR

1.1. Tanımı ve Tarihçesi1.2. Demir Cevherlerinin Sınıflandırılması1.3. Demir Cevherlerinin Değerlendirilmesi

2. METALURJİK KOK ÜRETİMİ

2.1. Giriş2.2. Metalurjik Kokun Özellikleri2.3. Metalurjik Kok Üretimi

2.3.1. Kovan Metodu2.3.2. Yan Ürün Metodu

2.4. Kok Fırınlarının Yardımcı Ekipmanları

3. CEVHER HAZIRLAMA

3.1. Cevher iyileştirme İşlemleri3.1.1. Kırma, Öğütme, Eleme İşlemleri3.1.2. Konsantrasyon3.1.3. Harmanlama

3.2. Topaklama3.2.1. Sinterleme

3.2.1.1. Yanma3.2.1.2. Sinter Türleri

3.3. Sinterleme avantajları3.3.1. Asit Sinter3.3.2. Flakslı Sinter

3.4. Peletleme3.5. Pelet Bağı

3.5.1. Asit Peletler3.5.2. Flakslanmış Peletler

3.6. Peletlerin Avantaj ve Dezavantajları3.6.1. Avantajları3.6.2. Dezavantajları

3.7. Kırılma ve Yumuşama3.7.1. Kırılma3.7.2. Yumuşama

2

4. YÜKSEK FIRIN

4.1. Prosesin Genel Tanımı4.2. Demir Oksitlerin İndirgenmesi4.3. Alt Bölgelerdeki Reaksiyonlar4.4. Orta Bölgedeki Reaksiyonlar4.5. Üst Bölgedeki Reaksiyonlar4.6. Yüksek Fırın Cürufu

4.6.1. Cüruf Yapısı4.6.2. Cüruf Bazistesi4.6.3. Cüruf Vizkozitesi

4.7. Uygun Cüruf Bileşimi4.8. Cüruf Kullanımı4.9. Yüksek Fırın Gazının Tüketilmesi

3

1.DEMİR

1.1 Tanımı ve Tarihçesi

Demir ve çelik yapımında kullanılan tabii hammaddeler içinde miktar ve değer

itibarıyla en önemlisi demir cevheridir.

Yer kabuğunun %5.6 sını oluşturan demir yumuşak kolay biçimlendirilebilen bir

metaldir. Doğada cevherler halinde bulunur. Saf olarak gök taşlarında bulunmaktadır. Özgül

ağırlığı 7.88 gr/cm3 , erime sıcaklığı 1539 0C , kaynama sıcaklığı 2740 0C , çekme

mukavemeti 27 kgf/mm2 , 67 BH sertliğinde , %40 uzayan mıknatıslanabilen, elektrik ve ısıyı

iyi ileten gri renkli bir metaldir.

Demir saf durumda yumuşak olduğu için endüstriyel amaçlara uygun değildir. Demiri

endüstriyel amaçlara uygun kılan içinde bulunan karbondur.

Demir gerek erime sıcaklığının yüksek oluşundan ve gerekse elde edilmesinin

zorluğundan,önceleri meteoritlerden elde edilmiştir. Bu nedenle demir bir üstünlük kazanmış

olup üstün metal (Master Metal) adını almış ve bir çok yerlerde tapınma aracı olmuştur.

Demirin bilinen tarihi M.Ö. 4000 yıllarına kadar uzanmaktadır. Mısırdaki piramitlerde

büyük taşların birleştirilmesinde demir çubukların kullanıldığı bugün bilinmektedir. Çin’de

M.Ö. 2700 yılında demir cevherinden demir elde edildiği bilinmektedir. Hititlerinde çok eski

tarihlerde demir elde ettikleri bilinmektedir. (M.Ö. 1300)

Bu gün ise ülkelerin gelişmişlikleri, ürettikleri ve tükettikleri demir çelik ürünleriyle

belirtilmektedir. Kişi başına üretim ve tüketim miktarlarının gelişmiş ülkelerde çok fazla

olduğu bilinmektedir.

1.2. Demir Cevherinin Sınıflandırılması

Demir minerallerini kimyasal bileşimlerine göre oksitler, karbonatlar ve sülfürler olmak

üzere üç grupta toplamak mümkündür. ( Tablo 1 )

4

CEVHER İSMİ KİMYASAL BİLEŞİM RENGİ

Oksit Magnetit Fe3 04 Koyu gri-siyah

Hematit Fe2 03 Kırmızı

Limonit Fe2 03. X H2O Kahve,sarımsı kahve

Karbon Siderit Fe C03 Koyukahvemsi kırmızı

Sülfür Pirit Fe S2 Pirinç sarısı

Tablo 1. Demir Cevherinin sınıflandırılması

Oksitli cevherler en önemli demir üretim kaynaklarıdır. Bunları sırasıyla karbon ve

sülfürlü cevherler takip etmektedir.

MAGNETİT - Kimyasal formülü Fe3 04 olan magnetit %72.4 demir ve %27.6 oksijen

içermektedir. Özgül ağırlığı 4.9-5.2 gr/cm3. arasında değişir. Mıknatıs tarafından kuvvetle

çekilir. Bu nedenle magnetik ayırıcı veya magnetik seperatörlerle magnetit gangdan ayrılır ve

yüksek kaliteli konsantre elde edilir.

HEMATİT – Kimyasal formülü Fe2 03 olan hematit 69.94 demir %30.06 oksijen içerir.

Özgül ağırlığı 4.5 – 5.3 gr/cm3 arasında değişir. Dünya demir üretiminde en fazla kullanılan

demir cevheridir.

LİMONİT – Kimyasal bileşimi Fe2 03 . X H2O olarak gösterilir. Magnetit ve hematitten

daha düşük kalitelidir. Özgül ağırlığı 3.6 ile 4.0 gr/cm3 arasında değişir.

SİDERİT – Kimyasal formülü Fe C03olan siderit %48.2 demir %51.8 CO2

içermektedir. Özgül ağırlığı 3.7 – 3.9 gr/cm3 arasında değişmektedir. Bu cevher genellikle Ca

ve Mg’un demirle yaptığı karbonatlı bileşiklerle birlikte bulunur. Bu cevher kullanıldığı zaman

kireç taşı kullanımı azalmaktadır. Siderit genellikle yüksek fırına verilmeden önce kalsine

işlemine tabii tutulur.

PİRİT – Demir birçok sülfür minerallerinde bulunur. Fakat asıl demir sülfür minerali

pirittir. Kimyasal bileşimi Fe S2 olan pirit %46.6 demir ve %53.4 kükürt içermektedir. Özgül

ağırlığı 4.8 – 5.1gr/cm3 arasındadır. Demir sülfür mineralleri genellikle kükürt eldesinde

kullanılırlar. Bu mineraller ayrıca bakır, gümüş, altın ve nikel gibi metalleri de içerirler. Bu

metaller ve kükürt alındıktan sonra demir yan ürün olarak elde edilir.

1.3. Demir Cevherlerinin Değerlendirilmeleri

5

Demir cevherlerinin değerlendirilmelerinde değişik faktörler rol oynar. Bu cevherin

yüksek fırında kullanılmadan önce geniş bir şekilde incelenmesi ve üretiminin avantaj ve

dezavantajlarının değerlendirmeye tabi tutulması gerekmektedir. Cevherlerin fiziki durumu,

bileşimleri, zenginliği çıkarılabilme olanakları ve ekonomik faktörlerin değerlendirme

sırasında göz önünde bulundurulması gerekir.,

1- Demir Cevherlerinin Bileşim Durumu :

Demir cevherinde bulunan yabancı maddeler (gang) yüksek konsantrasyonlu bir

demir cevherinin kıymetini düşürdüğü gibi, bazende daha düşük konsantrasyonlu bir demir

cevherinin kıymetini arttırabilir. İstenmeyen maddeler (gang) üç grupta toplanabilir.

a) Yüksek fırında ergitme sırasında hiçbir şekilde pik demirin bileşimine girmeyen

maddeler. Bunlar alüminyum oksit, kireç ve magnezyum oksittir. Bazı durumlarda

alüminyum oksit curuf oluşumuna zorluk çıkarır.

Kireç ve magnezyum oksit silis ile birleşerek curufu oluşturur. Bazen kireçli

cevher kullanmak daha faydalı olabilir. Çünkü kireçli cevher gerekli miktarda silisli

cevherle karıştırılıp yüksek fırına şarj edildiğinde ayrıca fırına curuf yapıcı olarak

kireç taşı ilave edilmesine gerek kalmaz. Buna “self fluxing ” denir. Cevherde gang

olarak fazla miktarda kireç bulunması cevherin demir tenörünü azaltırsa da kireçli

ve silisli cevherlerin uygun karışımı fırına verilerek, kullanılması gerekli olan curuf

yapıcıların miktarları azaltılabilir.

b) Yüksek fırında ergitme sırasında kısmen pik demirin bileşimine giren maddeler ;

Bunlar silisyum, manganez ve kükürttür. Bu elementlerin pik demire ne miktarda

geçeceği fırına ilave edilen maddelerin miktarına ve işletme şartlarına bağlıdır.

c) Yüksek fırında ergitme sırasında tamamen pik demirin bileşimine giren

elementler;

Bunlar fosfor ve arseniktir.

Demir cevherlerine en fazla rastlanan yabancı maddeler silis ve fosfordur.

Bunların miktarı ne kadar az olursa cevherde o denli kıymetli olur. Cevherde fazla

silis bulunması istenmez. Fazla silis curuf teşekkülü için fırına ilave madde

miktarının artmasına neden olur. Fosfor ve kükürt ise demir ve çelik özellikleri

üzerine kötü tesir yapar.

2- Cevherin Fiziki Durumu :

6

a) Demir cevherlerinin sert veya yumuşak oluşu, ince taneli veya iri taneli olmasına

yol açar. Yumuşak cevherler topraktan çıkarılma sırasında ufalanır ve toz haline

dönüşür. Bu nedenle yüksek fırına gönderilmeden önce Peletleme işleminin

yapılması gerekir. Aksi takdirde fırını tıkar ve yanma işlemini güçleştirir.

b) Cevherler sertse büyük parçalar halinde bulunur ve kırılmaları gerekir. İri parçalar

halinde kullanılırsa redüklenme zorlaşır. Bu da enerji tüketimini arttırmaktadır.

c) Cevherlerin zenginliği ;

Demir cevherleri birim hacimde bulundurdukları demir yüzdesine bağlı olarak

değerlendirilirler. Demir yüzdesi fazla olan cevherler daha ekonomik üretime

olanak verirler.

d) Cevherin Çıkarılabilme İmkanı ;

Cevherin yerkabuğuna yakın olması veya derinde bulunması, cevherin çıkarılması

ve yüksek fırına taşınabilmesi özellikleri göz önünde bulundurulması gerekir.

e) Ekonomik Faktörler ;

Birim miktarındaki cevher içerisinde bulunan demir için yapılan harcamalar, demir

üretiminde maliyeti ifade eder. Üretim birim faaliyete göre değerlendirilir. Cevherin

topraktan çıkarılabilme kolaylığı , zenginliği, zenginleştirilmesi, taşıma, arıtma ve

ergitme ile diğer bütün yan masraflar maliyeti ifade eder.

1.4. Türkiye’de Demir Cevherleri

Türkiye’nin çeşitli bölgelerinde demir yatakları bulunmasına rağmen bu yataklar

işletmeye elverişli olacak şekilde büyük değildirler.

SİVAS - DİVRİĞİ Türkiye’nin en büyük demir yatağıdır. Magnetit ve Hematitten

oluşmuştur. Derine inildikçe Pirit içermektedir. Yatağın demir yüzdesi %55-58 arasında

değişir. Dünyanın en az fosfor içeren iyi kaliteli demir yataklarından olmasına rağmen

kükürt miktarı fazladır.

ÇAMDAĞ - SAKARYA Hematit ve Limonitten oluşmuştur. %20 - %31 oranında

demir içerir.

EYMİR – EDREMİT Hematitten oluşmuştur. %57 oranında demir içermektedir.

Fakat arsenik miktarının yüksek oluşu değerlendirilmesini güçleştirmektedir.

7

AYAZMANT – BALIKESİR Magnetitten oluşan bu yatak pirit ve halkopirit

içermektedir. %60 demir içermesine rağmen değerlendirilmesi zordur.

2. METALURJİK KOK ÜRETİMİ

2.1 Giriş

Kok yüksek fırında kullanılan evrensel bir yakıttır. İndirgeyici ve ısı sağlayıcı olarak

görev alır. Aynı zamanda üretim maliyeti için önemli bir yer kaplar. Bu günlerde yüksek

fırınlarda kokla yer değiştirecek bazı yakıtlar kullanılmaktadır. Bu yakıtlar tepeden şarj

edilmezler , tüyerler boyunca hava ile birlikte fırına enjekte edilirler. Bazı ülkelerde özellikle

Brezilya’da katran yüksek fırın yakıtı olarak kullanılmaktadır.

Kokun yüksek fırında beş fonksiyonu vardır.

1) Termal ihtiyaçları sağlamak için bir yakıt olarak kullanılır. Reaksiyonu

2C+O2 2CO HO - 2300 k.cal / kgC’ dır. CO2 ‘ye yükseltgendiği zaman elde

edilen ısı 8150 k.cal / kgC ‘dur.

2) Demir oksitlerin indirgenmesi için CO sağlar.

3) Metoloit oksitleri, Mn, Si, P gibi indirger.

4) Demiri karbürize ederek erime noktasını düşürür.

5) Kuru ve ıslak bölgelerde geçirgenliği sağlar ve mekanik destek olur. Kokun

geçirgenliği cevher , sinter ve pelete göre % 60-100 oranında daha fazladır. Tuyer

seviyesine ininceye kadar erimez. Ve burada hava tarafından indirgenir

2.2 Metalurjik Kokun Özellikleri

Demir oksitten ekonomik olarak metalik demir üretmek için en uygun indirgen

karbondur. Önceleri bu nedenden dolayı erimeye elverişli karbon içermesi ve uygun

özelliklerinden dolayı odunun damıtılmasıyla elde edilen odun kömürü kullanılmıştır. Fakat

bugün yüksek fırınlarda demir eldesinde kok kullanılmaktadır. Kok, koklaşmaya uygun

kömürlerin 1000 – 1250OC’da damıtılmasıyla elde edilmektedir.

8

Kömür tabiatta bulunan bitki ve canlı fosillerin uzun süre yer altında havasız ortamda

kalması ile oluşan ve % 70-95 C , % 2-20 Oksijen, % 3-6 hidrojen , az miktarda da azot,

kükürt ve kül içeren katı yakacaklardır. En eski oluşumlu kömürler en kaliteli kömürlerdir ve

kok eldesine uygundurlar. Oluşum sırasına göre en eski kömür antrasittir. Ondan sora taş

kömürü ve linyit gelir.

Kok üretimine geçmeden önce damıtmanın tanımının bilinmesi gerekmektedir. Birbiri

ile karışmış ve kaynama noktaları ayrı ayrı olan maddeleri buharlaştırmak suretiyle

birbirinden ayrılma işlemine “damıtma” denir. Damıtma yaş ve kuru olmak üzere ikiye ayrılır.

Sıvı maddelerin damıtılmasına yaş damıtma ( suyun ısıtılarak buharlaştırılmasına ve buharın

yoğunlaştırılarak tekrar sıvı hale getirilmesi ) , katı gereçlerin damıtılmasına da kuru damıtma

denir.

Kok, antrasit ve veya taş kömürün (bitümlü kömür) kuru kuruya damıtılmasıyla elde

edilir. Kok gözeneklidir. Kokun kimyasal bileşimi gibi fiziksel özelliklerde kullanılan kömüre ve

damıtma sıcaklığına bağlıdır. Metalurjik kokun üstün fiziksel özelliklere sahip olması için

yüksek sıcaklıklarda elde edilmesi gerekir (1100 – 1250 OC).

Genel olarak en iyi yüksek fırın koku pülverize edilmiş ve harman yapılmış fazla

uçucu malzeme ve az uçucu madde içeren kömürlerin karışımından , yüksek sıcaklıkta

üniform bir ısıtma ile elde edilir. Yüksek fırınlarda kullanılacak kok nakliye sırasında

parçalanmayacak ve yüksek fırın şarjının altında ezilmeyecek kadar sağlam ve dayanıklı

olmalıdır. Toz ve çok ince parçalar içermemelidir. Ve istenen hızda yanması için çok büyük

parçalar da içermelidir.

Taş kömür fırına yüklenip ısıtılmaya başladığında 315-475 OC’da plastik hale gelir.

Isıtılmaya devam edildikçe uçucu maddeler hızlı olarak 950OC ‘den sonra da daha yavaş

olarak kömürden çıkarlar. Kok parçalarının büyüklüğü yüklenen kömürün büyüklüğüne

bağlıdır. İyi özellikteki bir metalorjik kokun kimyasal bileşiminde çok az uçucu madde,

% 85-90 karbon bulunur. Koktaki uçucu maddeler %2’yi geçmez. Geri kalan kül, kükürt ve

fosfordur. Yüksek fırında ergitme sırasında fosforun hemen hepsi ve kükürdün bir kısmı pik

demire geçer. Kül ise cürufa geçer. Bu nedenle kokun yüksek fosfor ve kükürt içermesi

istenmez. Genel olarak koktaki fosfor miktarı yüksek değildir ve genellikle % 0.05’in

altındadır. Kükürt ise % 0.6 – 2 arasında değişmektedir. Koktaki kül miktarının %11‘i geçmesi

istenmez. İyi kalite kokta kül oranı %6 civarında olurken düşük kalite koklarda kül oranı

% 14-16’ya kadar çıkabilmektedir. Koktaki kül miktarı kömür koklaşmadan önce yıkanarak

azaltılabilir. Kokun özellikleri tablo 2’de gösterilmiştir.

9

Sabit karbon En az %87

Kül En çok %11

Kükürt En çok %1

Uçucu maddeler En çok %2

Su En çok %5

Ufalanma ve toz En çok %6

Özgül ağırlığı 1,5 - 1,9 kg./dm3

Basınca dayanım 100 kg./cm2

Yama ısısı 7000-8000 k.cal./kg.

Parça büyüklüğü 40mm. elek üstü

Tablo 2 Metalurjik kokun özellikleri

2.3 Metalurjik Kok Üretimi

Metalurjik kok üretiminde kullanılan iki metod bulunmaktadır.

2.3.1 Kovan Metodu

Bu yöntem bugün için önemini kaybetmiştir. Kok üretiminde kullanılan en eski

yöntemdir. Bu yöntemde kovan şeklinde fırınlar kullanılır.

Şekil 2.1 Arı kovanı şeklindeki kok fırını

10

Fırına yukarı kısmından yaklaşık olarak 8 ton kömür yüklenir. Kömür seviyesi

düzeltildikten sonra fırın kapağı 3 cm. kadar aralık kalacak şekilde kapatılır. Bu aralık

koklaşma için yetecek havanın fırına girmesini sağlar. Fırın sıcak olduğu için uçucu

maddelerin damıtılması hemen başlar. Kömür kütlesi ısındıkça sıcaklık damıtma gazlarının

yanma noktasının üstüne çıkar ve bu gazlar kömür kütlesinin üzerindeki boşlukta yanar. Bu

gazların yanması fırının ısısını yükseltir ve koklaşma tamamlanana kadar damıtma üsten alta

doğru ilerler. Damıtma süresi 3,5 saat kadardır. Kokun fırında kalma süresi 48-72 saat

arasında değişmektedir. Zaman uzadıkça daha sert ve daha uçucu maddeler içeren kok elde

edilmektedir.

Fırının kapısı üzerinde bırakılan boşluktan giren havanın damıtma gazlarının

yanmasına yetecek kadar olması gerekir. Fazla hava kok verimini düşürür. Yanan gazlar

fırının üst kısmında bulunan delikten atmosfere bırakılır. Bu yöntemle kok eldesinde verim

%60 kadardır. Koklaşma tamamlandıktan sonra kapının tuğlaları sökülür ve kok fırından

çekildikten sonra su ile söndürülür. Kullanım için depolanır. Bu yöntem yerini yan ürün

metoduna bırakmıştır.

2.3.2 Yan Ürün Metodu

Bu yöntemde koklaşmanın gerçekleştiği fırınlarda hava yoktur. Damıtma için gerekli

ısı fırının dışarıdan ısıtılmasıyla sağlanır. Koklaşma sonucu elde edilen gazlar fırının

bitişiğindeki bölümlerde yanar ve fırını ısıtırlar. Koklaşma sırasında açığa çıkan uçucu

maddeler değişik işlemler uygulanarak gaz ve yan ürün olarak elde edilir. Üretilen gazın

%40’ı tekrar kok fırınlarını ısıtmada kullanılır.

Genel olarak kok fırınlarında üç bölüm bulunmaktadır.

a) Koklaşma kamaraları

b) Isıtma kamaraları

c) Rejeneratif kamaralar

Sistem batarya şeklinde dikdörtgen şekilli odacıklardan oluşmuştur. Odacıkların sayısı

10-100 arasında değişmektedir. Bataryalarda sırası ile bir koklaşma odacığı bir ısıtma

odacığı bulunmaktadır. Böylece her koklaşma kamarasının iki yanında birer ısıtma kamarası

bulunmaktadır. Isıtma kamaralarına gaz ile beraber rejeneratif kamaralardan geçerek ısınmış

hava verilmektedir. Rejeneratif kamaralar ısıtma ve koklaşma kamaralarının altında olup,

ısıtma kamaralarında gazla karışıp yanmayı sağlayan havanın ısıtılması için kullanılırlar.

Kömürlerin koklaşabilmesi için gerekli ısı, ısıtma kamaralardan geldiği için koklaşma

yan duvarlardan başlar ve kömür yağının ortasına doğru ilerler. Koklaşma işlemi

tamamlandıktan sonra kok itici makine ile itilerek fırının diğer tarafından vagona alınır. Fırının

kok tarafı kokun kolayca boşalabilmesi için itici tarafından 5-10 cm. daha geniştir. Vagona

11

alınan sıcak kok üzerine su püskürtülerek söndürülmektedir. Koklaşma süresince fırının her

iki ağzı refrakter astarlı kapılarla sıkıca kapatılır. Uçucu gazların çıkması için fırın tavanında

bir uçta veya her iki uçta delikler vardır. Bu deliklerden dışarı alınan gazlar bir boru

vasıtasıyla bataryanın gaz toplama ana borusuna gider. Bu gazlara daha sonra değişik

işlemler uygulanarak değişik yan ürünler elde edilmektedir.

Taş kömürünün damıtılarak koklaştırılmasını üç bölümde toplamak mümkündür.

1) Taş kömürünün hazırlanması ve kamaralara doldurulması.

2) Kamarada kömürün koklaşması.

3) Kokların çıkarılması ve söndürülmesi.

1- Taş Kömürünün Hazırlanması ve Kamaralara Doldurulması

Kömür yatağından çıkarılan taş kömürleri yıkanıp yabancı maddeleri

uzaklaştırılmaktadır. Hafif nemli olan bu kömürler kurutulur ve sonra parça büyüklükleri

0-10 mm. olacak şekilde değirmenlerde öğütülmektedirler. Toz kömür yine hafifçe

nemlendirilir ve kamaraların üstündeki depolara doldurulmaktadır. Isıtma kamaralarında

gaz ve hava yakılarak kok kamaralarının sıcaklığı 1200-1300OC’ye çıkarılmaktadır. Toz

kömür bu kamaralara yüklenir.

2- Kamaralarda Kömürün Koklaşması

Sıcak kamaraya doldurulan kömür dıştan içe doğru yavaş yavaş ısınır. 600OC

civarında koklaşma başlar. Sıcaklık 1000-1100 OC’ye kadar çıkartılır ve bu sıcaklıkta

18-22 saat bekletilen kömür, gaz ve buharlaşan maddelerini vererek akkor halinde bir

kütle oluşturur.

3- Kokların Çıkarılması ve Söndürülmesi

Koklaşma işlemi bittikten sonra kamaralarının yan kapıları açılır. Özel bir iletme

makinesi ile koklar kamaralardan çıkartılır. Çıkarılan kokun sıcaklığı çok yüksek

olduğundan havanını oksijeni ile birleşerek yanar. Bunu önlemek için kok üzerine bol

miktarda su püskürtülerek söndürülür. İşlem verimi %80 ‘dir.

2.4 Kok Fırınlarının Yardımcı Ekipmanları

Kömür depolama siloları, kömür şarj arabası her kok ünitesinde bulunmaktadır. Belli

süre yetecek kadar kömür silolarda bulunmaktadır. Yine itici mekanizmalar bulunur.

12

Bu mekanizmalar ;

a) Koku itmek,

b) Kömür seviyesini düzeltmek,

c) Fırının kapağını açmak gibi görevleri bulunmaktadır. Yine fırının kok tarafında kapı

açma mekanizması vardır.

Kömür karıştırıcıları, kömür kırıcılar, eleme sistmeleri de her kok ünitesinde

bulunmaktadır. Bu yöntemde katran, amonyaklı su, naftalin, benzol gibi yan ürünler elde

edilmektedir. Şekil 2.2

13

3. CEVHER HAZIRLAMA

Cevher hazırlama, cevherin madenden çıkarıldıktan sonra fırında kullanılabilir hale

gelinceye kadar yapılan bütün işlemleri kapsar. Bunlar kırma, öğütme, eleme, yıkama,

harmanlama, konsantrasyon, topaklama ve benzeri gibi işlemlerdir.

Cevher hazırlama işlemlerinin amacı hammadde şartlarının iyileştirilmesi bunun

sonucunda da yüksek fırın verimini arttıracak daha ucuza sıvı demir üretmektir. Yukarıda

sayılan işlemlerden topaklama hariç bütün diğerleri iyileştirme işlemleri olarak adlandırılabilir.

3.1. Cevher İyileştirme İşlemleri

3.1.1 Kırma, Öğütme, Eleme İşlemleri

Cevherin kalitesine bağlı olarak boyutunun 6-60 mm. arasında olması gerekmektedir.

6mm. altındakiler gaz geçirgenliğini olumsuz yönde etkilerler. Üst limit ise indirgenebilirlik ile

sınırlandırılmıştır. 6-60 mm.’ lik boyut aralığı düzenli gaz akışını sağlayabilmek için çok

geniştir. Bu aralıktaki cevherler yeniden elenerek 6-20 mm.’ lik ,20-40 mm. , 40-60 mm.

boyutlarında yeniden sınıflandırılabilirler. Her bir guruptaki cevherler ise fırına ayrı ayrı şarj

edilebilir.

3.1.2 Konsantrasyon

Konsantrasyon, cevheri içindeki gang ve zararlı maddelerden arındırarak

zenginleştirme işlemidir. Asitli gangların azalması fırının ısı yükünü de azaltacaktır. Eğer

cevherden ton sıcak maden başına 40-50 kg. silika atılırsa, flaks yapmak için gerekli olan

kireç taşıda 100-130 kg. azalır. Bunu sonucunda da curuf miktarı 100 kg. kalsinasyon

reaksiyonu neticesinde çıkan CO2 gazı da 50 kg. azalır. Bu iki faktörde kok miktarının 40-50

kg. düşmesine sebep olur. Üretiminde %5-10 arasında arttığı görülür.

Konsantrasyon işleminin yapılıp yapılmayacağına sadece cevherin içerdiği asit ve baz

miktarlarına göre karar verilmez. Konsantrasyon işlemi bazı durumlarda demir cevheri son

derece zengin olsa da uygulanır. Örneğin %60-65 Fe içeren Hindistan cevherleri yüksek

oranda alümina içerirler. Bu da cüruf akışkanlığını azaltır. Bu tip cürufla çalışmak ve

alüminayı cevherden atmak çok güçtür. Cevher konsantrasyonu için, yaygın olarak şu

yöntemler kullanılır.

1. Yıkama

2. Ağır parçaların ayrılması

3. Flotasyon

4. Magnetik ayırma

14

3.1.3 Harmanlama

Düzenli operasyon ve düşük kok oranı demir kalitesinin iyi olmasına çok büyük

oranda yüksek fırının düzenli çalışmasına bağlıdır. Fırının düzenli çalışması ise şarj

malzemelerinin kaliteli olmasına ve bir ısı arzına bağlıdır.

Bütün hammaddelerin kimyasal kompozisyonlarının düzgün olması ve kok külü ve

rutubetinin düzgün olması yumuşama sıcaklığının, cevherin indirgenmesinin, demirin

erimesinin, cüruf erime bölgesinde cüruf oluşumunun düzgün olmasını ayrıca gaz

geçirgenliğinin kolay olmasını sağlar. Sonuçta, fırın çalışma hacminin maksimumu,

maksimum hava sıcaklığı ve maksimum şarj sayısıyla birlikte kullanabilirler. Burden

malzemelerinin düzgün kimyasal kompozisyonları harmanlanması ile elde edilir.

Hammaddenin farklı kaynaklardan sağlandığı fabrikalarda harmanlama çok önemlidir. Büyük

depolama ve harmanlama sahalarına ihtiyaç duyulur.

Ekonomik harman karışımı bulmak çok güçtür. Fakat Sovyetler Birliğinde yapılan

testle sonucunda üretim %7 artmış, yakıt oranı % 4 ve demir maliyeti % 2,5 düşmüştür.

Harmanlama yapılan cevher, harman yapılmayan cevhere göre maliyeti % 4-5 düşürmüştür.

3.2 Topaklama

Maden çıkarımı ve iyileştirme işlemleri sırasında çok önemli miktara (%40-50) ufak

boyutta malzeme üretilir. Bunlar direkt olarak yüksek fırına şarj edilmeyeceğinden sinterleme

ve pelletleme gibi işlemlerden geçirilerek boyutları büyütülür. Sinterde ve peletde bulunması

gereken en önemli özellikler indirgenebilirlik, çarpma, sürtünme ve sıkıştırma mukavemetinin

iyi olmasıdır.

3.2.1 Sinterleme

Sinterleme işlemi ile yapılan topaklama sonucunda büyük sert gözenekli parçalar elde

edilir. Bu parçalar şu şekilde elde edilirler;

a) Kısmi ergime metodu ile ufak parçaların temas yüzeylerinden birbirine

yapışmaları,

b) Yeniden kristalleşme ile difüzyon bağlarının oluşması ve parçaların erimeden

birbirine yapışmalarını sağlayan hematit ve magnetit kristalinin büyümesi.

Bütün bu işlemler toz cevherlerle karıştırılmış olan kok tozunun yanması sırasında

meydana gelir. Korbonun tamamıyla yanmasından dolayı 1300-1400OC sıcaklı kolaylıkla elde

edilir. Bu proses sabit yada Dwight – Lloyd tipi hareketli sinter makinalarında uygulanabilir.

Bu tip makinalarda 40-50 cm. kalınlığında sinter karışımı kullanılabilir. Kok tozunun yanması,

15

tabii gaz ya da yanma yağı kullanılarak karışımın üst yüzeyinde başlatılır. 800-1000 mm.

sugauge’lik bir emme ile sinter karışımını geçirgenliğine de bağlı olarak, karışımın alt

kısımlarına kadar inen karışımı şarj etmeden önce ızgaraların üzerine – 5 cm. kalınlığında –

10+8 mm. boylarında sinter verilir. Bunun amacı erime sonucunda ızgara açıklarının

tıkanmamasıdır. Sinter karışımı baca tozu, elekaltı malzemeler, kireçtaşı, dolomit gibi

malzemelerde ihtiva eder. Elekaltı sinter tozu, sinterleme işlemlerinden önce kullanılan

karışıma göre daha düşük erime sıcaklığına sahiptir.

Sinter Stred’in dikey kesidi (Şek. 3 )’de görülmektedir.

Şekil - 3 Ateşlemeden 3 dakika sonra sinter yatağında sıcaklık dağılımı.

3.2.1.1 Yanma

Kokun yanması ince yatay katmanda başlayıp aşağıya doğru iner. Kok tozunun

yanmasını sağlayan hava bir önceki sıcak sinter katmanından ısınarak geçer. Önceden

ısıtılmış hava ve soğuk karışım ve yakıtın tamamıyla yanıp CO2 ‘ye dönüşmesi prosesi termal

olarak çok verimli hale getirir. Teorik olarak sinter içerisinde % 4-8 kadar kok tozu, sıcaklığı

1400 oC çıkarmak için yeterlidir.

Yanma tozunun altındaki katmanlarda ısınma nemin buharlaşması ve karbonatların

yanmasıyla olur. Rutubetten arınmış sıcak gaz içinde soğur ve su daha aşağı katmanlarda

yoğunlaşma sıcaklığına ulaşıldığında yoğunlaşarak çökelir ( Genellikle 50-60 oC ) . Bu proses

16

en sonuncu katmana ve soğuk karışım kalmayıncaya kadar ( elekaltı-sinter hariç ) devam

eder.

Sinterleme hızı geçirgenliğe ve yatak kalınlığına göre değişir.15-20 dakika

tamamlanır. Geçirgenlik karışımın ihtiva ettiği rutubet miktarına bağlıdır.

Ortalama bir geçirgenlik sağlıyabilmek için sinter karışımının ihtiva ettiği su miktarının

%5-20 oaranında olması gerekmektedir. Çok düşük miktar düzgün olmayan geçirgenliğe ve

sinter kalitesine sebep olur. Çok yüksek su miktarı, yeniden çökelme sonucu topaklamayı

artırarak boşlukların dolmasıyla geçirgenliğin düşmesine sebep olur.

Uygun boşluk ve ısı transferini sağlıyabilmek için cevher boyutunun 5-6 mm. kok ve

kireçtaşı boyutunun 3 mm.’yi geçmemesi gerekir. Sabit yakıt oranında eğer kok boyutu çok

büyükse bölgesel aşırı ısınma nedeniyle çok fazla sıvı oluşumundan dolayı çok zor

indirgenebilen faliyet oluşur. Aynı zamanda diğer bölgelerde uygun olmayan ısınmadan

dolayı sinter baz mukavemeti olumsuz yönde etkilenir. Kireçtaşının kalsinasyonu

tamamlanmaz, bu sinter mukavemetini ters yönde etkiler. Sinter kimyasal ve fiziksel

özelliklerinin ve kalitesinin düzgün olması açısından kireçtaşı ve kok şarjı yapılmadan önce

düzgün olarak karıştırılmalıdır. Elde edilen sinterde % 65-70, 12 mm.’lik boyutu sağlıyabilmek

için ortalama kok oranı % 4 ile 8 arasında değişmektedir. Eğer cürufun viskositesi ve erime

sıcaklığı yüksekse yakıt ihtiyacı artar. Eklenen kireç taşı miktarı istenen B / A’ya göre değişir.

Kireçtaşının sinterleme sırasında kalsinasyonu Yüksek Fırında kalsinasyona göredaha ucuz

mal olur. Kireç sinterin indirgenebilirliğini de büyük miktarda artırır.

3.2.1.2 Sinter Türleri

1. Asit sinterler : İçerisinde flaks malzemesi bulunmayan yada eklenmeyen

sinterlerdir.

2. Flakslı sinterler : İçerisinde flaks bulunan yada sonradan flaks eklenen sinterlerdir.

İki gruba ayrılırlar.

a) Süper flakslı sinter : Bu tip sinterlerde istenen B / A’yı sağlıyabilmek amacıyla

karışıma ve cevherin asitliği dikkate alınarak ilave flaks eklenir.

b) Kendinden flakslı sinter : Eğer cevherin içinde tabii olarak flaks mevcutsa bu tip

cevherlere kendinden flakslı cevherler denir.

3.3 Sinterlemenin Avantajları

17

3.3.1 Asit Sinter

1) Tozların sert, kuvvetli ve düzgün süngerimsi parçalar halinde toplanması iyi bir

yatak geçirgenliği sağlar. Gerçekte gaz akışı, aynı boyutlarda olmasına rağmen

büyük boşluklardan dolayı sinter yatığında, pelet yatağına göre daha fazladır.

2) Cevherdeki kükürt ve arseniğin ( eğer mevcutsa ) % 60-70 kadarı sinterleme

boyunca atılır.

3) Rutubet ve diğer uçucular sinterleme hattında ucuz yakıt kullanılarak atılır.

4) Yumumuşama sıcaklığı artar ve yumuşama aralığı daralır.

3.3.2 Flakslı Sinter

Yukarıdakilerine ilaveten flakslı sinter şu avantajlara sahiptir.

1) Kireçtaşının fırın içindeki kalsinasyonu kok tüketimi açısından pahalıya mal olur.

Kalsinasyon işleminin sinter hattında yapılması yaklaşık olarak 60-70 kg.

C/100 kg. CO2 (230 kg.Ca CO3) tasarrufu sağlar.

2) Kireç ilavesi viskoziteyi ve cüruf sıcaklığını düşüreceğinden dolayı daha az kok

kullanılabilir. Bunun yanında yüksek oksidasyon derecesi ve indirgenebilirlik elde

edilir.

3) Kireç, silikatın içindeki FeO’nun aktivite katsayısını ve sinter indirgenebilirliğini

arttırır.

4) Süper flakslanmış sinter fırın içinde çok fazla kok tasarrufu sağlar ( Fakat uygun

olmayan kalsinasyon sonucunda büyük miktarda kireçtaşına ihtiyaç duyulur ve

sonuçta parçalanmamış olarak kalan kireçtaşı sinter mukavemetini olumsuz

yönde etkiler ). Uygun mukavemet için ya ufak kırılmış kireçtaşı yada kalsine

edilmiş kireç kullanılmalıdır. Fakat bütün bunlar sinterleme maliyetine arttırıcı

faktörlerdir. Bundan dolayı çok az fabrika süper flakslama yöntemine başvurur.

5) Sinterin içerisindeki kireç birincil ( FeO-Al2O3-SiO2 ) cürufunun erime sıcaklığının

dengeli olmasını sağlar. Diğer durumda FeO’ın bosh bölgesinde indirgenmesi

sırasında cürufun erime sıcaklığı artacaktır.

6) Kireçce zenginlenmiş bosh cürufu SiO2’nin indirgenmesini engeller, düşük Si’li ve

düşük S’li demir üretimi için, buharlaşmış silisi ve kükürdü emer.

18

7) Flakslanmış sinterden oluşan birincil cürufun viskositesi, hem cevhere, asit sinter

yada peletlere göre daha düşüktür. Ayrıca cüruf daha düzgün erime sıcaklığı ve

kompozisyona sahiptir. Bütün bunlarda daha düzgün fırın çalışmasını sağlar cüruf

özelliği kısmi olarak sinter tarafından tayin edilir. Nihai cürufa transformasyon hızlı

fakat düzenlidir ve daha düşük sıcaklıkta ve dar sıcaklık aralığında olur.

8) Yumuşama sıcaklığı yüksek ve aralık asit sintere göre daha dardır. Çünkü daha

az miktarda camsı silikatlar vardır.

9) Sinterleme hızı asit sinterlere göre daha fazladır.

10) Fırın üretimini pelet’e göre daha çok artırır. İdeal yüksek fırın şarj malzemesidir.

Çünkü en iyi yüksek sıcaklık, gaz geçirgenliğine sahiptir.

3.4 Peletleme

Maden çıkarımı ve cevher zenginleştirme operasyonu sırasında özellikle yaş

konsantrasyon için gerekli olan toz öğütme sırasında büyük miktarda -0.05 mm. boyutunda

toz üretilir. Bunlar yatağın geçirgenliğini çok düşüreceğinden sinterleme derecesi açısında

zaralıdır. Kullanılabilirler fakat kullanmadan önce içindeki rutubet ve bir takım ilaveler

katılarak topaklama işleri yapılmalıdır. Bunlara yeşil pelet denir ve 1200-1350 OC arasında

sertleştirilir.

Topaklama, prosesinen önemli aşamasıdır ve bu aşamada mukavemet, boyut,

çarpma mukavemeti ve diğer pelet özellikleri tayin edilir. İşlem tambur, koni, diskler gibi

döner aletler kullanılarak yürütülür. En fazla yukarıda sözü edilen iki alet kullanılır.

Tambur verimliliği içerisindeki sabit boffle’lerle artırılabilir. Peletlerin topaklanıp bilya

şeklini alması suyun yüzey gerilimi ve parçaların birbirine çarpması sonucundandır.

Başlangıçta su eklenerek ufak bir pelet çekirdeği oluşturulur. Bu çekirdek büyür, bilya şeklini

alarak pelet halini alır. Tambur içindeki tilt açısı pelet boyutu ve üretimi belirler. Tamburun

boyutu ve şekli hareket ve basınç açısında en uygun pozisyonda olmalıdır. Mesela, roll’ların

(çoğu bunlar tamburun duvarı boyunca hareket eder ve düşer) düşme yönün tersinden

hareket eder. Burada parçalar çarpışma verimi arttırır. Taneler arasında kılcal halde bulunan

su, tanelerin çekmesine de neden olur. Bilyaların arasındaki boşluklarda bulunan suyun

basıncı tanelerin daha yoğun kütle haline gelmesini sağlayacak basınca sahiptir. Sıkıştırma

kuvveti tanelerin ufaklığı ile doğru orantılıdır. Suyun yapıştırma özelliği boşluk çapının

düşmesi ile artar ve daha sonra boyutun düşmesi azalır. Ortalama rutubet miktarını bulmak

çok önemlidir. Çünkü az miktardaki su boşluklara hava girmesine, çok fazla suda yapıştırıcı

özelliğin tahribine sebep olur.

19

Ortalama rutubet miktarı % 5-10 arasındadır. Tanelerin büzülmesi ile ihtiyaç artar.

Tam yapıştırıcı etkiye sahip olabilmek için konsantrenin % 94-100’nin 0,01 mm. ve % 60-

80’nin –0.05 mm. olması gerekmektedir. Ortalama şartlar altında çok yoğun yeşil peletlerin

mukavemeti sertleşme öncesi, sertleşme sırası ve sertleşme sonrasında sağlanır.

Ateşleme işlemi hem shaft fırında hem de döner ızgara da yapılabilir. Daha sonra

kurutma, ön ısıtma, yanma ve soğuma işlemleri her bir işlemin başarılı olmasıyla basamak

basamak yapılır. Yama sırasında kritik basamağa nem buharlaştıktan sonra erişilir. Bu

sıcaklık herhangi bir bağ oluşumu için çok düşüktür. Az miktarda bentonit ya da kireç ( 0.5 )

eklenmesi bile taneler arasında bir miktar yapışmayı sağlar.

3.5 Pelet Bağı

3.5.1 Asit Peletler :

Başlangıçtaki demir oksitlerine, siliko içeriğine ve ateşleme durumuna göre asit

peletler için bağ kuvvetleri şunlardır.

a) Mağnetit : 1100-1250 OC arasındaki yanma sırasında, mağnetit, hematit oksitlenir.

Yüksek yüzey hareketinden dolayı pellet mukavemetinin arttırılması, oksidasyon

yeniden kristalleşme ve hematitin kristal büyümesi sırasında olur. Tabii

atmosferde bağlar yeniden kristalleşme ve mağnetitin tane büyümesi sırasında

olur.

b) Hematit : Herhangi bir oksidasyonun ekzotermik ısısının bulunmaması

durumunda, bağların oluşması ve mukavemetin artırılması yeniden kristalleşme

prosesiyle olur. Bu tip proses genellikle 1300-1350 OC arasında yüksek sıcaklığa

ihtiyaç gösterir. Böylece hematit cevherlerin ateşleme zamanında yükselir.

c) Cüruf bağı : Siliko, kireç vb.’nin bulunduğu ortamda, 1200 OC’ nin üzerinde cüruf

oluşumu bağ yapmaya yardım eden bu tip camsı yüzey verirler ve indirgeme

hızını yavaşlatırlar. Fakat peleti, sintere göre daha güçlü duruma getirirler.

Pelet sipesifikasyonları Tracice ve leppin’in tavsiyelerine göre Tablo 3’deki gibidir.

Test Tavsiye edilen değerler

Boyut ağırlığı minimum % 85, +9 mm. –16 mm.

20

Sıkıştırma testi “ 200 kg.

ASTM indeksi “ % 94, +6.3 mm.

Maksimum % 5, -500 mm.

İndirgenebilirlik (dR/dt%60) % 0.65 0 / dak.

LTBT minimum % 80, + 6.3 mm.

maksimum %75, -500 mm.

Şişme maksimum %20

Tablo - 3

3.5.2 Flakslanmış Peletler :

Flakslanmış pelet elde etmek amacıyla kireçtaşı katmak mümkündür. Kireç taşını

ufalayıp boyutunu küçültmek maliyeti olan bir prosesdir. Ateşleme sırasında pelletlerin

birbirine yapışması da bir takım teknik zorluklar getirir. Bu muhtemelen Kalsiyum silikat

oluşumundan dolayı erken yumuşama sonucudur. Bu tip yapışma asit peletlerde görülmez.

Çünkü düşük erime sıcaklığına sahip olan fayalite oksitleyici atmosferde oluşmaz.

Flasklanmış peletler zengin cevherlerden oluşsa dahi bağ oluşumunda en önemli rolü cam

oynar. Peletin mukavemetinin kısmi sinterlenmesi, hemattin yeniden kristalleşmesi ve bu

ikisinin camsı yapı tarafından birbirine bağlanmasıdır.

Dolamitlenmiş peletler zengin cevherlerden oluşsa dahi, mağnetitin ve kalsiyum

ferritin içinde yoğunlaşır ve indirgeme ile yüksek erime sıcaklığına sahip katı solüsyon

“Mağnesia ferrit” oluşur. Flakslanmış pelletler kötü sıkıştırma mukavemetine sahip,

dayanıksızdır. Camsı yüzeyden dolayı indirgenebilirliği düşüktür. Flakslanmış pelet yapmak,

indirgeme açısından daha az hassastır. Khokhdov , kireç taşı tüketimini azaltmak amacıyla

yüksek dereceli bentonite kullanımı fikrini ortaya atmıştır. Demir oksitleri ile birlikte

indirgenebilir MgO bileşiklerinin oluşabilmesi için ateşleme sıcaklıklarının ve MgO

seviyesinin arttırılması da Khokhdov tarafından tavsiye edilmiştir. Ufak öğütülmüş kireçtaşı

da pelet mukavemetini arttırır.

Flakslanmış pelet maliyetinden ve diğer dezavantajlarından dolayı yaygın olarak

kullanılmaz.

3.6 Peletlerin Avantajları ve Dezavantajları

3.6.1 Avantajlar

21

1) Cüruflaşma ya da füzyondan dolayı boşlukların kapanması minimumdur. Fazla

gözeneklerden dolayı çok güzel indirgenebilirliğe sahiptir. Cüruf bağları daha az

indirgenebilir.

2) Yumurtamsı şekil ve ufak düzenli boyut (10-20 mm.) çok güzel yatak geçirgenliği

verir. Şekil, boyut ve düşük repose açısı minimum yığılma ve düzgün şarj

dağılımına sebep olur.

3) Yüksek yoğunluktan dolayı 3-3.5 ton M3 birim ağırlık başına daha fazla erişebilir

yüzey ve birim fırın hacmi başına daha fazla demir elde edilebilir. Geniş yüzey ve

cevherin birim ağırlığı başına düşen zaman artar, böylece daha uzun gaz/katı

teması sağlanır ve ısı transferi artar.

4) Yüksek demir muhtevası, ögütme ve cevher zenginleştirmeden dolayı daha

düzenli kimyasal kompozisyona sahip olması. Fırında daha düşük flaks ve yakıt

ihtiyacı düşük cüruf hacmine neden olur.

5) Yüksek yumuşama sıcaklığı, 1200-1350 OC gibi dar aralıkta ; dolamitlenmiş

peletler limey peletlere göre 80 OC daha fazla yumuşama sıcaklığına sahiptir.

6) Yüksek mukavemet-ortalama sıkıştırma mukavemeti yaklaşık 150-250 kg. (asit

peletler için daha fazla).

7) Isı tüketimi sinterden çok daha azdır.

8) Elde edilmesi kolaydır. Örneğin pneumatik method.

9) Direkt indirgeme prosesleri için idealdir.

10) Fırın içinde özellikle düşük sıcaklık bölgelerinde cevher ve sintere göre

indirgenebilirlik daha fazladır.

11) Asit peletler, flakslanmış sinterlere ya da peletlere göre daha güçlüdür.

Flakslanmış peletlerin indirgenebilirliği flakslanmış sinter ve asit peletlere göre

daha fazladır.

12) Flakslanmış peletler, flakslanmış sinterlere göre daha ekonomiktir.

13) Flakslanmış peletler üzerine alkali etkisi asit peletlerine göre daha azdır.

22

3.6.2 Dezavantajları

1) Öğütme ve özellikle yağ burnerleri ile yanmadan dolayı yüksek üretim maliyeti.

2) Fırın içindeki şişme ve mukavemet kaybı.

3) Sinterle aynı boyut aralığında olsa dahi düşük boşluk yüzdesi nedeniyle gaz

oluşma mukavemeti daha fazladır.

4) Flakslanmış pelet üretiminin zor oluşu.

5) Flakslanmış peletlerin indirgeyici şartlar altında kırılabildiği asid ve bazik sinter ve

asit peletlere göre daha fazladır.

6) Güçlü yüksek flakslanmış sinterler özellikle MgO ihtiva edenle gittikçe artan

miktarda pellete göre tercih edilmektedir.

3.7 Kırılma ve Yumuşama

Y. Fırıncılar tarafından iyi bilinmektedir ki cevher, sinter ve peletler fırın içinde değişik

sıcaklıklarda bozulma ve yumuşamaktadırlar. Yumuşamadan dolayı boşlukların dolması,

tozlardan dolayı fırın çıktısının etkilenmesi gibi olumsuz bir takım olaylar incelenmeli ve

bunun önlenmesi sağlanmalıdır.

3.7.1 Kırılma

Demir cevherleri , sinterler ve pelletler demir oksitler ve empürtelerin bileşiminden

oluşurlar. Bu tip malzemeler yüksek sıcaklıktaki indirgeme atmosferi gibi şartlar altındaki

mekanik gerilimler altında kaldığında en zayıf noktalarından kırılmaya başlarlar.

Ham cevherin mekanik özellikleri değiştirilemez fakat bu sinterler ve peletler için

mümkündür. Deneyler göstermiştir ki sinterlerin mekanik stabilitesi mineralojik kompozisyon

ve üretim methodlarına göre değişkenlik göstermektedir.

3.7.2 Yumuşama

Yumuşama, plastik akışkanlık yada erken füzyon, 700-1350 OC gibi geniş bir sıcaklık

aralığında olur. Sinter ve pelet gibi malzemelerde bu olay 1000-1350 OC gibi daha yüksek ve

daha dar bir sıcaklık aralığında oluşur. 1000 OC’nin altındaki yumuşama boşlukların

kapanmasından dolayı indirekt reaksiyonlara zararlı olur. İlaveten, yumuşamada ve yataktaki

malzemelerin sıkışması sonucunda boşluk sayısının düşmesi, çıkış mukavemetini arttırır,

23

fırın çıktısı düşer. Yapışkan malzemelerin yatak geçirgenliğini düşürmesinden dolayı geniş

bir yumuşama sıcaklık aralığı istenmez. Yapışkan füzyon zonun oluşmasını

önleyemediğinden dolayı düşük geçirgenliğe sahip aralığın maksimumu olmasına dikkat

edilir.

Yumuşama özellikleri değişik faktörlere bağlıdır. Bunlar, sıcaklık , kristal yapı,

gözenek, indirgeme derecesi, parçacık boyutu, demir yüzdesi, oksidasyonun başlangıç

durumu, gang miktarı, B /A’dır. Alkali metal oksitleri yumuşama sıcaklığını büyük miktarda

düşürebilir.

4. YÜKSEK FIRIN

4.1 Prosesin Genel Tanımı

Sıcak maden üretimi diğer üretim prosesleri içinde en başta gelenidir. Bunu sebebi

yalnızca çok yüksek üretim değil aynı zamanda prosesin yüksek ısısıdır. Modern ve yüksek

kapasiteli yüksek fırınlar günde 12000 ton sıcak maden üretebilmektedir.

Demirin kaynağı; hematit Fe2o3 ve magnetit Fe3O4 gibi oksitler ile küçük oranda

hidroksitler ve karbonatlar olarak bulunduğu demir cevheridir. Tüm demirli mineraller içinde

hematitin en büyük oranı kapsar. Kimyasal olarak saf olduğunda hematit de % 70 ve

magnetit de ise %72.4 demir bulunur. Fakat genellikle cevherdeki demir içeriği %50-65

(zengin cevherde) ve %30-50 dir. Atık kısımda (gang) ise çok az miktarda ne ile daha çok

silika ve alimina bulunur, cevher genellikle maden ocağından geldiği gibi kullanılmakla

beraber sinte veya pelet olarak kullanılır. Sinterleme ve peletleme küçük boyutlu cevherlerin

aglomerasyonu ile magnezyum oksit ve kalsiyum oksit kullanılarak boyutlarının

büyütülmesidir. Cevherdeki atık malzemeler sıvı demir içinde çözünemezler ve yüksek erime

sıcaklığına sahiptirler. Ancak düşük sıcaklıklarda katkı malzemeleri ilavesi ile erirler ve cüruf

oluştururlar. Magnezyum oksit erime sıcaklığının düşmesine yardımcı olur ve cürufun

akışkan olmasını sağlar. Kalsiyum ve magnezyum oksit bazik, silisyum oksit ile aluminyum

oksit ise asidiktirler bunların birbirlerine oranları cürufun bazikliğini belirler. Cüruf ve demir

birbirlerinden tamamiyle sıvı halde oldukları zaman ayrılırlar. Bu yüzde ikisi de erime

sıcaklığının üstüne kadar ısıtılmalıdır. Isı genellikle kokun yanmasıyla elde edilir. Isı elektrik

enerjisi veya diğer yakıtların kullanılması ile de elde edilebilir ancak bu kaynaklar ekonomik

değildir. Demir oksitlerin indirgenmesi için yüksek sıcaklık ve indirgeyici atmosfer gereklidir.

Demir, koktan %2-4,5 arasında karbon alarak erime sıcaklığını 153 OC ‘den karbon içeriğine

bağlı olarak 200-350 OC daha aşağıya düşürür. Kok ayrıca %6-10 arasında kül ihtiva eder.

Koktaki kül, silisyum oksit ve aluminyum oksit içerir. Cevher , kok ve flaks da; Si, Mn, Pb, S

elementlerinin bileşikleri ve küçük oranda empürüteler vardır. (Pb, Sn, Ni, Cr, Si, Ti alkali

metaller gibi). Fosfor tamamiyle indirgenir ve pike geçer , değişen miktarda silis ve

manganez de pike geçer. Kok ve cevherdeki kükürt ise cürufun bazikliğine ve sıcaklığına

24

bağlı olarak pikten cürufa geçer. Kükürdün kontrolü cürufun bazikliğine bağlıdır. Pik demirde

%92-93 demir vardır. Geri kalan ise C, Si, Mn, P, S gibi elementlerdir.

Kokun yanması için gerekli olan oksijen hava ile sağlanır. Hava fırına rejeneratif

sobalar tarafından ısıtılarak gönderilir. Havanın ısınması yüksek fırın gazının yanması ile

olur. (Yüksek fırın gazının %20-30’u CO, %10-20’ si CO2 ve geriye kalan ise azottur).

Böylece Yüksek fırın gazından dolaylı olarak yararlanılmış olur. Yüksek fırına hava, suyla

soğutmalı tüyerlerden verilir. Diğer malzemeler ise skip arabası veya bant sistemi yardımıyla

fırının tepesinden şarj edilir.

Yüksek fırın kesiti 4.1’ de gösterilmiştir. Silindirik tepe kısmı boğaz (throat) olarak

adlandırılır ve hemen altında gövde (Stack) vardır. Gövde fırının beline kadar çap ile birlikte

genişler. Çap bosh denilen kısımda azalır ve en alttaki hazne kısmı ile birleşir. Erimiş maden

ve cüruf bu kısımda (hazne) toplanır. Üst kısımdaki açıklık, yükselen gazlarla redüklenmek

üzere yaklaşık 25m.’lik bir mesafeyi katedecek olan malzemenin şarj edilmesini sağlamak

amacıyla çanlı sistem veya diğer yeni sistemler (çansız tepe ekipmanı) ile donatılmıştır.

Gövde kısmı ise böylece toplam yüksekliğinin 3/5 oranı kadar genişler. Gövdenin genişleyen

kısmı termal olarak genleşmiş gazın ve atılan malzemelerin düzgün bir şekilde inmesini

sağlar. Fırını en gelişmiş kısmı silindirik olan belidir ve dolayısıyla curufun ve metalin

ergimesi ve sıvılaşması bu bölgede başlar. Bosh ters bir koni şeklindedir. Tabanı bel ile,

tepesi ise hazne ile birleşir.

Hava, su soğutmalı tüyerler ile hazne civarında içeri üflenir ve 1.5 – 2.5 atm basınç ile

püskürtülür. Hazne kısmında ise saniyede 150-300 metre hız ile girer.

Fırının profili yani şekli ve boyutları; kullanılan çalışma metodlarına, üflene havanın

sıcaklığına ve malzemelere bağlıdır. Gövdenin (Stack) Belly’nin Bosh’un ve Bosh açısının

genişliği, fırın içindeki malzemenin düzgün bir şekilde inmesine veya üflene havanın mümkün

olduğu kadar düzgün dağılımına yardımcı olacak şekilde seçilmelidir. Modern kapasiteli

kısımlarda kısa ve geniş Bosh’a doğru eğilim vardır.

Sıcak madenin alındığı delik (Döküm deliği) Hazne tabanın 50-150 cm; cürufun

alındığı delik döküm deliğinin 1 metre yukarısındadır. Blow’dan gelen soğuk hava sobalarda

ısıtılarak , (bustle pipe) Simit ile tüyerlere dağıtılır.

25

Şekil - 4.1 Malzeme akışı, yanma bölgesi v.b. gösteren fırın kesit

26

Şekil - 4.1.1 Çansız Tepe Ekipmanı

Fırının tepesinde yüksek fırın gazının atmosfere atılmasını önlemek ve düzgün

dağılımını sağlamak amacıyla konulmuş tepe ekipmanı vardır. Küçük ve büyük çanı içerir. Bir

27

tanesi malzemeleri fırına veya büyük çana boşaltırken öteki kapalı olur. Bu önceden

belirlenmiş şarj programına göre olur. Büyük çan dolunca yavaş yavaş fırına yükü döker. Şarj

edilen malzeme düzgün bir şekilde dağılmalıdır. Bu yükselen gazların düzgün dağılımı için

gereklidir. Dağılımı modeli, kullanılan malzemenin büyüklüğüne ve diğer fiziksel özelliklerine,

fırının çapına ve açısına ve şarj yüksekliğine bağlıdır. Malzeme fırın içine şarj edildikten

sonra yığın oluşturulduğundan malzemenin düzgün şarj edilmesi verimlilik, yakıt tasarrufu

ve fırının düzgün çalışması yönünden çok önemlidir.

Fırın tuğla örgüsü ateşe dayanıklı tuğlalardan oluşur. Bosh ve Belly gibi alt ve daha

sıcak kısımlar zengin aluminyum (%40-50) ateş tuğlaları ile kaplanmalıdır. Üst bölgelerde ise

tuğlaların sadece aşınmaya karşı dayanıklılık göstermeleri yeterlidir. Isısal olarak en hassas

kısmı haznedir ve hazne tabanı yüksek aluminyum silikatlı veya karbon tuğlalar ile örülür.

Tuğla ömrü, tepeden hazneye kadar döşenmiş soğutma plakaları, hazne soğutma suları

ve/veya taban soğutma havası ile artırılır.

Şarj malzemelerinin arasında tüyerlerin seviyesine kadar katı kalan tek madde

koktur. Proses için gerekli ısıyı sağlaması ve redükleyici olamasının yanı sıra, kok; sıcak

maden ve curufun sıvı halde olduğu Bosh bölgesinde mekanik dayanç sağlar. Maden ve

cüruf hazneye doğru kok parçacıklarının boşluklarından akar. Yüksek fırında üretilen 1 ton

pik demir başına, tüketilen kok miktarı 1000 kg. ile en az 450-500 kg. arasında değişir.

Düşük kok oranı bazik sinter ve pelet kullanımı ile yüksek hava sıcaklığı ve düzenli

gaz dağılımından elde edilir.

Fırına tüyerlerden giren sıcak hava, kok karbonu tüyerlerin hemen önünde yakarak

CO2‘i oluşturur. Yanma sonucunda elde edilen büyük ısı, üflenen havanın sıcaklığına bağlı

olmak üzere 1800-2000 OC civarında bir alev sıcaklığı verir. 1000 OC üstünde CO2 kararsız

(unstable) olduğundan dolayı kokun karbonu ile reaksiyona girip; CO2 +C 2CO oluşturur.

Böylece tüyer gazında CO ve azot bulunur. Kuru hava kullanıldığında tüyer gazı %35 CO ve

%65 N2 içerir. Bu sıcak indirgeyici gaz aktif kok yatağından Bosh-Belly ve gövdeye doğru

yükselir ve demir oksitleri indirger.

4.2 DEMİR OKSİTLERİNİN İNDİRGENMESİ

Demir Oksitlerinin İndirgenmesi

Demir oksitleri üç çeşittir. Hematit ( Fe2O3 ) magnetit ( Fe3O4 ) ve wüstit (FeO). Bu

oksitler kısımlar halinde indirgenirler. Buların CO ile reaksiyonları, CO/CO2 oran dengeleri ve

900 OC’da CO kullanım faktörü hCO aşağıda belirtilmiştir.

CO’nun CO2 ‘ye dönüşüm yüzdesi aşağıda gösterilmiştir.

% CO2

28

% h CO = 100%CO2 / % (CO + CO2) ................( 1.1) % hCO = 100 x

% CO + % CO2

Değerlerin 900OC’da verilmesi sebebi daha sonra açıklanacaktır.

REAKSİYONLAR 900 O C’da DENGE

CO / CO2 nCO %

3Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2 ................. O 100 (1.2)

Fe3O4 + CO = 3 FeO + CO2 ..................... 0.25 80 (1.3)

FeO + CO = Fe + CO2 ............................. 2.3 30 (1.4)

Yüksek fırın ters akımlı bir proses olduğundan yüksek CO içeren tüyer gazı, demire

indirgenmek için yüksek indirgeme potansiyeli isteyen FeO ile tepkimeye girer. Sonuçta

düşük potansiyelli gaz yükselirken daha az CO / CO2 oranı isteyen magnetit ve hemtit ile

karşı karşıya gelir. Böylece wüstin indirgenmesi demir oksit indirgenmesinde en önemli sırayı

alır çünkü yaklaşık %70 hematit oksijen, FeO halinde bulunur.

(1.2), (1.3), (1.4) reaksiyonları dolaylı (indirect) veya gazlı reaksiyonlar diye

adlandırılırlar ve ürünleri CO2 ‘dir.

Sıcaklığın 1000 OC’ı aştığı herhangi bir zonda redüklenmemiş FeO mevcut ise,

reaksiyon (1.4) sonucu açığa çıkan CO2 aşağıdaki reaksiyon ğereği süratle karbon tarafından

indirgenir.

CO2 + C = 2CO – 41210 Kal (1.5)

(1.4) ve (1.5) deklemleri birleştirilirse;

FeO + C = Fe +CO – 37220 Kal (1.6)

Reaksiyon (1.5) Boudouard reaksiyonu veya karbon gazlaştırma reaksiyonu olarak

bilinen yüksek derece endotermik aynı zamanda da CO kullanımını bozan bir reaksiyondur.

Reaksiyon (1.6) ise direkt indirgeme reaksiyonu olarak adlandırılır ve dolaylı (endirekt)

indirgemeye kıyasla endotermiktir (Isı alan). Ama ayrılan her mol oksijen başına daha az

karbon tüketir, çünkü ürün CO bir sonraki dolaylı indirgeme reaksiyonunda yerini alacaktır.

1800 - 2000 OC’lik bir alev sıcaklığı olan tüyer gazı, yükselerek fırının çıkış noktasında 150-

200 OC düşerken, şarj malzemeleri ise aşağıya doğru olan hareketlerinde 1400–1450 OC

ulaşırlar.

Şekil (4.2’de) gösterildiği gibi fırında üç ayrı sıcaklık bölgesi vardır ve toplam ısı

ihtiyacı alt ve üst bölgelerde yükselen gazlardan sağlanır.

29

4.3 Alt Bölgelerdeki Reaksiyonlar

Alt bölge ve ergime bölgesi tüyer seviyesinden 3.5 metre yukarıya doğru uzanır. Bu

bölgede erimiş malzemenin sıcaklığı 1400 – 1450 OC’a ulaşır ve gaz sıcaklığı 800 –

1000OC’a kadar düşer.

Şekil - 4.2 Yüksek Fırın yüksekliği boyunca gaz ve katı sıcaklık dağılımları ve üç ana

bölgede oluşan kimyasal reaksiyonlar

Kokun tüyerlerin önünde yanması haznenin çevresinde sürekli olarak boşluk olmasını

(Receway) ve malzemenin aşağı akmasını sağlar.

30

Şekil 4.2 Yanma bölgesinin şekli ve boyutu düzgün gaz dağılımı ve şarj

malzemelerinin inişi için önemelidir. Yanma bölgesi havanın kinetik enerjisine bağlı olarak 1-

2 metre kalınlığındadır. Böylece gerçek aktif alan 1-2 metre kalınlığında haznenin etrafında

bir ring oluşturur ve Receway’ın önünde sıkı dolgulu kok sütunu vardır. Dead – Man olarak

adlandırılır. Kok sütunu ya haznedeki sıvı demirin üstünde yüzer yada haznenin tabanına

ulaşabildiği kadar ulaşır. Bir miktar cüruf ve demir, kok parçacıklarının aralarına sıkışırlar ve

dökümle birlikte akıp giderler.

Flaks ile karışmış gang malzemeleri karın belly kısmında kısmen erimeye başlar.

Burada 1200 OC’da birbirine karışmayan iki faz oluşmaya başlar. Daha sonra bu iki sıvı faz

birbirlerinden ayrılırlar, receway’ın üstündeki kokun boşluklarına doğru süzülürler ve haznede

toplanırlar. Tüyer gazı kok yatağının boşluğuna doğru yükseldiğinden receway ters akımlı

sıvı gaz değişimini andırır. Kokta mekanik destek sağlar. Malzemenin akışı bu bölgede çok

önemlidir, çünki kayma tehlikesi vardır. Çalışırken gözlem ve deneyler için dondurulan

fırınlarda gevşek dolgulu kok sütununun alt shaft’a doğru uzandığı teşhis edilmiştir. Gevşek

dolgulu kok kütlesi yumuşama- erime zonu ve yükselen gazların geçişini engelleyen yarı

ergimiş cüruf ve demir ile kok katmanlarından oluşan cohesi ve zonu ile çevrelenmiştir.

Geçirgen kok katmanı , kok boşluklarından oluşur. Bu kok boşlukları bir gaz dağıtıcısı

olarak davranır ve gazın duvarlara yatay bir biçimde akmasının sağlar. Özellikle büyük

fırınlarda kok katmanlarının geçirgen ve kırılmaya karşı dayanıklı olmaları gerekmektedir.

Şekil (4.3) erime bölgesi ile gazın kok katmanları arasında dağılımını göstermektedir.

İlk cüruf, Bosh cürufu yapmak üzere kireçtaşı toplar ve daha sonra koktaki kül

tüyerlerde ayrılır ve her ikisi birden hazne cürufunu oluştururlar. Bu cürufun fırın dışına

alınabilmesi için akışkan olması gerekmektedir. Cüruf kompozisyonu 1400-1450 OC arasında

sıvı olacak şekilde seçilmelidir ve cürufun akmaya karşı direnci 1500 OC’da 10 poise

olmalıdır. Bunun sonucunda cürufun baziklik oranı :

( % CaO + %MgO )

= 0.9 – 1.2’dir.

(%SiO2 + % Al2O3 )

Cürufta FeO mevcut değildir., çünkü redüklenmemiş FeO ya haznede kok katmanı ile

temas edince ya da kohesive zondan süzülürken tamamen indirgenir.

Cürufun akması için gerekli olan en düşük hazne sıcaklığına kritik hazne sıcaklığı

denir ve 1500-1550 OC arasındadır.

Bu bölgedeki diğer reaksiyonlar ;

31

1) Kireştaşının endotermik yakılması , CaCO3 = CaO + CO2

2) FeO’nun direkt indirgenmesi ; FeO+C = Fe+CO

3) SiO’nın “ “ SiO2 +2C = Si + 2CO

4) MnO’nun “ “ Mn2O + C = Mn + CO

5) P2O5 ‘ın “ “ P2O5 + 5C = 2P + 5CO

6) Kükürdün endotermik ayrılışı FeS + CaO + C = CaS + Fe+ CO

7) Karbonun endotermik yanması C+O2 (hava) = CO2 + N2

8) CO2’in endotermik indirgenmesi CO2+C = 2CO (>1000OC)

9) Havadaki nemin endotermik indirgenmesi C+H2O = CO + H2 (>1000 OC)

Şekil 4.3 Operasyon sırasında soğutulmuş fırının kesit görüntüsü. Gaz akışının kok yarıkları

arasında geçtiği görülmektedir.

4.4 Orta Bölgedeki Reaksiyonlar

32

Gaz ve katı sıcaklıklarının hemen hemen eşit olduğu (800-1000 OC) orta bölgeye

izotermal veya termal rezerv bölgesi denir. Çoğu dolaylı (indirect) reaksiyonlar bu bölgede

olduğundan indirect indirgeme bölgesi de denir. İyi çalışan bir fırında bu alan fırın hacminin

%50-60 ‘ını kapsar. Reaksiyon 1.2 – 1.4 gösterildiği gibi demir oksitlerin indirgenmesi bu

bölge olur. Bu bölgenin genişliği çok önemlidir. Çünkü wüstit mümkün olduğu kadar fazla

indirect reaksiyon metodu ile elde edilmelidir. Bu bölgenin başlangıcı endotermik

reaksiyonların başladığı, ısı transfer etkisine ve homojen gaz dağılımına bağlıdır.

Modern yüksek fırınlarda çeşitli seviyelerde probların yerleştirilmesiyle ve alınan gaz

numunelerinin değerlendirilmesiyle orta bölgede mevcut kimyasal bakımdan aktif olmayan bir

zonun varlığı ortaya çıkarılmıştır. Bu zonda gaz kompozisyonu çok az değişmekte ve cevher

ile gaz arasında çok az oksijen değişimi olup Fe-FeO dengesini gösterecek şekilde CO/CO2

oranı 2.3’tür.

CO + H2O = CO2 + H2

Bu reaksiyon CO’dan daha aktif indirgeyici olan hidrojeni üretir. Nem demir oksitlerin

hidrojen ile indirgenmesi ile oluşur. Hidrojen rutubetli havadan, buhar ve/veya hidrokarbonlar

kullanıldığı zaman oluşur.

4.5 Üst Bölgedeki Reaksiyonlar

Fırın üst bölgesinde, diger bir deyişle ön ısıtma veya hazırlama bölgesinde orta

bölgeden yükselen gazın sıcaklığı süratli bir şekilde 800-1000 OC’den 100-250 OC ye düşer.

Katıların sıcaklığı ise çevre sıcaklığından dolayı 800 OC ye kadar yükselir.

Bu bölgede meydana gelen önemli reaksiyonlar şunlardır. :

1) Karbonatların (kalsiyum hariç) parçalanmaları.

2) Burden’in nem ve hidratının buharlaştırılması.

3) Karbon bozunması, 2CO = CO2 + C

4) Hematit ve magnetitin kısmi yada bütünüyle oksitlerine indirgenmesi.

Burden’in tepeden tüyer seviyesine inmesi 6-8 saat sürer. Her üç bölge şarjların ne

kadar süre kaldıkları tam olarak bilinmez. Gaz ise fırında 1 veya 10 saniye gibi bir süre kalır.

En son dünya savaşından sonra bütün dünyada artan bir yüksek fırın yapımı

başlamıştır. Yıllık 500-600 milyon tona yaklaşan pik demir üretimi ile 1000 tane çalışan fırın

mevcuttur. Tümüyle modern bir yüksek fırın bugün 100-120 milyon dolara mal olur.

Üretilen bir ton pik demirin, fiatı ise yatırım maliyeti çıktıktan sonra 100 doları bulur.

4.6 Yüksek Fırın Cürufu

33

Metaller genellikle oksitlerden oluşan ve gang denen yabancı maddeleri içeren

cevherlerden elde edilir. Bu sırada flaks eklenmesiyle metalde çözünmeyen cüruf şeklinde bu

gang ayrılır.

Demir cevherleri ve kok külünde bu yabancı maddeler başlıca asidik olan SİO2 ve

AL2O3 tür. Flaks olarak ta kireç ve MgO kullanılır. Birlikte %5 ten daha fazla olmayan diğer

yüksek fırın cüruf maddeleri FeO, MnO, TiO2, S ve diğerleridir.

Yüksek fırın hammaddeleri, gang mineraller, kok külü ve flakslarla birlikte kireç ve

MgO içerir. Termal mineral oksitler alümina ve silikadır. Bunlar flaks eklenmesiyle atılır.

Sonuçta oluşan sıvı cüruf, erimiş demirin içinde çözünmez ve daha hafif olduğu için bir

katman şeklinde maddenin üzerinde birikir. Bazik flakslar sadece asidik bileşiklerin erime

noktasını düşürmek için gerekli değildir, aynı zamanda cürufun yeteri kadar sıvılaşmasını ve

Mn, Si S kontrolü ile madenin kalitesinin kontrolünde sağlar. %95-96 miktarında bulunan dört

ana metal oksidin haricinde (bunlar kireç, magnesia, alumina ve silika) hammaddeye bağlı

olarak az miktarlarda başka oksitlerde vardır. Bunlar genellikle FeO, MnO, FeS, CaS ve

alkali silikatlardır.

Her zaman ideali yakalamak mümkün olmasa da uygun cüruf kompozisyonu ve

sıcaklığı , fırının yakıt tüketimi ve performansını olumlu yönde etkiler ve şu özellikleri kontrol

eder.

1) Maden sıcaklığı

1) Maden kalitesi, yani C, Si, Mn, S ve FeO dağılımı.

2) Homojenlik

3) Burden malzemelerinin fiziksel ve kimyasal özelliklerindeki ve sıcaklıktaki

dalgalanmaların kontrolu.

4) Çalışma şartları altında yüksek kükürt giderimi.

5) Düşük viskozite. Cüruf çalışma sıcaklığında fırından kolaylıkla akıp gidebilmelidir.

Akışkanlığı iyi olmalıdır. Cüruf akışkanlığının iyi olması yakıt ekonomisini olumlu

yönde etkiler.

6) Stok ve fırın gazının rahat hareketi, bu durum fiziksel özellikler birincil ve bosh

cürufunun erime bölgesinin yeriyle kontrol edilir. Ayrıca fırın veriminin ve kalitenin

artmasını sağlar.

7) Çimento sanayiinde ve yol yapımında kullanılır.

Diğer taraftan birincil ve bosh cürufun oluşması çalışma şartları ve diğer şartlar

tarafından etkilenir. Bunlar alev sıcaklığı, malzemelerin tepedeki dağılımı cevherin

indirgenebilirliği, cüruf hacmi , sinter ve pelet (asidik flakslı yada süper flakslı) demir

bazlı şajlı malzemelerinin yumuşama sıcaklığı, kok külü miktarı , fırın astarı ve benzeri

bütün çalışma şartları düzgün fırın rejimini sağladığı zaman maksimum üretim,

minimum curuf hacmi minimum kükürt ve yakıt tüketimini sağlar.

34

Yüksek Fırında Reaksiyonlar

Yüksek fırında cüruf oluşumu bölgeleri 3 kısma ayrılır.

35

1) Birincil cüruf füzyon bölgesi.

2) Bosh cürufu füzyon bölgesi.

3) Final cüruf veya hazne cürufu bölgesi.

1 – Birincil Cüruf Füzyon Bölgesi

Gang malzmeleri ile birlikte olan demir oksitlerin kısmen indirgenmesi ile

alümina silikatlarla birlikte kolaylıkla eriyebilen bileşikler oluşturur. Birincil cüruf

yumuşama ve erime bölgesi fırının yatay kesitine bağlı olduğu gibi dikey yönde

sıcaklık dağılımına da dağlıdır. Oluşan ilk cürufun özellikleri ve davranışı şarj

malzemesinin özelliklerine bağlıdır.

2 – Bosh Cürufun Oluşumu

Birincil cürufun kireç miktarı düşüktür ve asidik özelliktedir. Kirecin emilmesi

yavaştır. Fakat süreklidir ve sadece tüyer seviyesi gibi sıcak bölgelerde tamamlanır.

FeO’in indirgenmesi alt ve sıcak bölgelerde hızlıdır ve tüyerlerin üstünde hemen

hemen tamamlanır. Bosh cürufu Final cürufuna göre daha baziktir. Çünki koktaki

asit bileşikler sadece tüyer bölgesinde emilirler. Bosh cüruf bileşimi demir cevherine,

manganeze, sinter ve kireçtaşına bağlıdır. Kireçle kaplanmış cüruf sık görülür.

Demir oksit genellikle düşüktür.

3 – Final Cürufu veya Hazne Cürufu

Hazne cürufu kirecin çözünmesinden veya yanma sonucu ortaya çıkan kok

kömüründen oluşur. Cüruf oluşumu aşağı yukarı yanma bölgesinde tamamlanır.

Cüruf metalle birlikte hazneye akar ve burada birikir.

Hazne cürufunun yapısı, bileşimi hacmi pik demirin bileşimini ve fırının

verimliliğini kontrol eder. Cüruf kontrollünün en önemli amacı pik demir kükürdünün

kontrolüdür.

4.6.1 Cüruf Yapısı

Sıvı cüruflar Si oksitler ve diğer elementleri kapsayan homojen eriyiklerdir. Elektriksel

özelliklere sahip oldukları, basit ve karışık iyonları içerdikleri bilinmektedir. Katı silisyum

oksidin analizi, Silisyum 4 oksijen atomu ile çevrelenmiş bir tetrahedronun merkezinde

olduğunu göstermektedir. Her bir oksijen atomu iki silis atomuna bağlıdır ve ağ yapısı üç

boyutta süreklidir. Her köşenin oksijen atomu paylaşıldığında ortaya çıkan maddenin toplam

SiO2 oransal formulüne sahip olabilmesi için tetra hedronlar sadece köşeleri paylaşılabilir. Bir

36

Si atomunun +4 yükü vardır. Tetrahedronun her bir oksijen atomu bir artık değeriyle sahip

olduğu için SiO4 grubu 4 negatif yük taşır. Yani (SiO4 ) –4 dür. Kristal halinde silisyumun ve

oksijen atomlarının tetrahetdral dizilişi simetriktir. Katı yapının fizyonla hiçbir ani değişiklerine

uğramıyacağı açıktır. Erimiş haldeki silikada (SiO2 ) yapı çarpık bir durumdadır, ama

köşelerin çoğu paylaşılmış olarak kalır. Erimiş silikanın (SiO2 ) viskozitesi çok yüksektir:

(Yaklaşık 105 P), bütün yönlerde köşeler sıkça bağlanmıştır. Bu şekil 4.4 ‘de açıkça

görülmektedir.

Şekil 4.4 Kristal ve erimiş SiO2’nin ve (SiO4 ) tetrahedronunun şematik gösterimi – Oksijen

atomları beyaz, silisyum atomları siyah olarak gösterilmiştir.

Şekil 4.5 Erimiş SiO2 ‘da iki değerli bir metal oksit eriyiğinin şematik olarak gösterilişi. Taralı

daireler metal iyonlarını göstermektedir.

Merkezde silisyum ve köşede oksijen taşıyan bir tetrahedron olarak görülen (SiO4 )

grubunun karışık silikalarda iyon olarak bulunduğu kabul edilmiştir. Elektriksel iletim için

37

yapılan aktivasyon enerji ölçümü , CaO, MgO ve diğer metal oksitlerin erimiş SiO2 ‘ye

eklenmesinin üç boyutlu Si-O yapısını silikat iyonlarına parçalandığını göstermiştir. Bu kırma

işlemi için itici güç silisyum ve oksijen arasındaki çekimdir. Bu oranların birbirlerine göre

sahip oldukları değerliklere ve iyonik yarı çaplarına bağlıdır.

CaO ve MgO erimiş SiO2 ye eklendiğinde , iki Si-O bağı açılır ve şu olay gerçekleşir;

º Si-O-Si º + CaO = º Si – O - + - Si º + Ca +2 1.7

Kırılma anında negatif bir yük taşıyan her oksijen atomu eklendiğinde paylaşılan bir

köşe açılır. Yüklü oksijen yanında yerleşmiş katyonlar ağ yapısında dağılmıştır. Şekil 4.5

metalik oksitlerin artan oranlarda eklenmesi sırasında Si-O bağları kopar ve büyük silikat

iyonları oluşur. Metal oksit miktarı artarken bunlar küçülürler şekil 4.6 . Bu olay 1.7

denklemine göre ikili bir cürufta kuvvetli bazik bir metalik oksidin SiO2 ve bu yüzden

ortosilikat kompozisyonu (2MO.SiO2) için olduğundan daha azdır. Asidik eriğin viskozitesi ağ

yapısı zamanla kırıldıkça düşer ve sonuçta hiçbir köşenin paylaşılmadığı bir duruma ulaşır.

Şekil 4.7 Bu durumda cüruf ortosilikat kompozisyonuna (M O/SiO2 oranı 2 iken) ulaşır. Bu

cüruf nötr farzedilir ve ayrı (SiO4 )-4 iyonları kapsar. 2 MO. SiO2 oransal kompozisyonuna

ulaşırken baz ilavesi oksijen iyonları (0)-2 ve eşit sayıda katyonlar verir.

Polimerleşmiş silikat grupları şöyle olabilir.

2( º Si – O - ) = º Si – O – Si º + O-2 (1.8)

Şekil 4.6 Sıvı silikatlarda farklı iyonlar, Boloris’den sonra

38

Şekil 4.7 Kristal 2 MgO SiO2 ‘nin şematik gösterimi

1.8 denklemine göre 20 = 00 + 0-2 tipinde bir dengenin varlığı söz konusudur.

4.6.2 Cüruf Bazistesi

SiO2, Al2O3 gibi oksijen alan ve eriyiklerde anyon kompleksleri oluşturan oksitler asidik

oksitler olarak alınır. Oksijen veren anyon kompleksleri kıran CaO, MgO, FeO, MnO vs. gibi

oksitlerde bazik oksitlerdir. Pratikte bazik oksitlerin konsantrasyonları toplamının asidiklerine

oranı cürufun bazisitesi olarak bilinir. Demir yapımında bu oran genellikle CaO/SiO2 veya

(CaO+MgO) / (SiO2 + Al2O3) olarak alınır.

Şekil 4.8 cüruf bazitesi ile viskosite ilişkisi.

4.6.3 Cüruf Viskositesi

39

Metal oksitlerden oksijen iyonlarının gelmesiyle Si-O bağları kırılır ve bağlar azalarak

sıvı cürufun viskositesinin azalmasına neden olur. Tetrahedral yapıda bir oksijen iki silis

atomuyla bağ yapar bir durumda olduğu için silisler izole edilmiş bir tetrahedra’ya sahip

olabilirler ve böylece % Si oranı 4‘ü geçtiği zaman viskosite azalır (Şekil 4.7).

Yüksek fırın cüruflarında Al2O3 her zaman vardır ve AlO4 grupları SiO4 gruplu polimer

üniteleri oluştururlar. CaO-MgO, SiO2 ve Al2 O3 ihtiva eden cüruflarda Al2 O3 SiO2 ‘nin yaptığı

gibi viskositeyi arttırmalıdır. Diğer bir taraftan ise, oksijen kaynakları olan kireç ve MgO

viskositeyi azaltır.

CaO, SiO2 ve Al2 O3 ‘ün sıvı karışımlarının viskositesi kirecin düzenli olarak artmasıyla

azalır. İso – Viskosite çizgileri (İsokomlar) eşit kireç ihtiva eden çizgilere paraleldirler ve buda

ağırlık yüzdeleri esas alındığında SiO2 ve Al2O3 ‘ün viskositeyi aşağı yukarı aynı şekilde

etkilediklerini gösterir.

Cürufların viskositesi kompozisyona ve sıcaklığa bağlıdır. Düşük viskosite sıvı cüruf

içinde tepkime halinde olan cüruf / metal ara yüzeyine doğru ve bu ara yüzeyinden dışarıya

doğru iyonların diffüzyon halinde olması sayesinde tepkime hızlarını kontrol ettiği gibi aynı

zamanda fırının düzgün bir şekilde cürufun erime sıcaklığının üstüne çıkması viskoziteyi

azaltır.

Örneğin : yaklaşık aynı basizite oranlarına sahip olan (0.86 ve 0.93) 3. Ve 4. Cürufların

viskoziteleri erime sıcaklıklarının üstünde aynı derecededir. Bu arada 3. Cüruf 35.6 %4.

Cüruf ise yalnızca 15.2 %Al2O3 ihtiva eder.

Şekil 4.9 Tablo 4.1 de gösterilen cürufların viskoziteleri sıcaklıkta değişimi. Kristalleşme

sıcaklıklarda gösterilmiştir. Şekil 4.9’da tablo 4.1‘de verilen 7 tane cürufun

viskositelerinin sıcaklığa bağımlılığı verimiştir

Table 4.1

40

Slag

No.

%

SiO2

%

Al2O3

%

CaO

%

MgO

%

FeO

%

MnO

%

S

Liquidus Temp. O C

Measured calculated

B

1 30.4 26.1 35.5 6.4 0.4 0.3 1.4 1450 1470 0.74

2 34.1 18.7 40.6 3.4 0.7 -- 0.97 1445 1460 0.83

3 17.0 35.6 44.8 0.6 -- -- -- 1515 1530 0.86

4 36.0 15.2 38.5 5.1 1.0 0.7 0.79 1390 1400 0.89

5 32.2 15.2 45.1 3.5 0.8 1.3 -- 1500 1500 1.02

6 33.4 13.5 45.2 3.4 0.5 0.4 -- 1480 1470 1.04

7 29.7 14.8 41.6 11.9 0.3 0.8 1.4 1460 1470 1.20

B = basicity = ( CaO + MgO ) / ( SiO2 + Al2O3 )

Tablo 4.2

Slag

Composition Lig.

Temp.oC

Basicity ( %S) / (%S)*

for y

= 5

CaO MgO Al2O3 SiO2 CaO/SiO2 B *

41

Fınal I 47 4 10 39 1400 1.205 1.296 90

Bosh A 52.6 4.5 4.7 38.2 1550 1.377 1.517 175

Bosh B 50.6 4.4 7.0 38.3 1500 1.311 1.416 129

Bosh C 49 4.1 8.3 38.7 1490 1.292 1.369 112

Fınal II 44 4 16 36 1435 1.222 1.274 85

Bosh A 49.6 4.5 10.7 35.2 1550 1.41 1.507 169

Bosh B 47.2 4.4 13.0 35.3 1470 1.334 1.419 130

Bosh C 46.0 4.1 14.3 35.7 1450 1.288 1.352 107

Fınal III 41.5 4 22 32.5 1490 1.279 1.254 80

Bosh A 47.1 4.5 15.7 31.7 1500 1.485 1.540 187

Bosh B 44.8 4.4 10 31.8 1500 1.408 1.437 138

Bosh C 43.5 4.1 20.3 32.1 1490 1.355 1.371 113

Fınal IV 39 4 28 29 1500 1.345 1.293 89

Bosh A 44 4.5 24.5 27 1510 1.629 1.582 212

Bosh B 42 4.4 26.2 27.4 1510 1.537 1.48 157

Bosh C 40.6 4.1 27 28.3 1510 1.434 1.381 117

Fınal V 41.5 10 10 38.5 1400 1.077 1.276 85

Bosh A 46.2 11.2 4.7 37.9 1550 1.218 1.482 157

Bosh B 44.1 10.7 7.2 38.0 1470 1.160 1.392 121

Bosh C 43.2 10.4 8.3 38.1 1440 1.134 1.355 108

Fınal VI 39 10 16 35 1430 1.114 1.285 87

Bosh A 42.7 11.2 11.5 34.6 1465 1.234 1.460 148

Bosh B 41.4 10.7 13.2 34.4 1445 1.212 1.378 115

Bosh C 40.7 10.4 14.3 34.6 1435 1.176 1.367 110

Fınal VII 36.7 10 22 31.5 1465 1.158 1.296 90

Bosh A 40.0 11.2 17.6 31.2 1445 1.282 1.472 153

Bosh B 39.0 10.7 19.0 31.3 1445 1.246 1.415 129

Bosh C 38.0 10.4 20.2 31.4 1450 1.210 1.366 111

Fınal VIII 33.5 10 28 28.5 1520 1.175 1.272 84

Bosh A 37.3 11.2 24.8 26.7 1500 1.397 1.527 180

Bosh B 35.8 10.7 26.2 27.0 1510 1.325 1.438 138

Bosh C 35.0 10.4 27.0 27.3 1515 1.282 1.383 117

4.7 Uygun Cüruf Bileşimi

42

Kükürt girdisine bağlı olarak tatminkar bir kükürt giderimi genel olarak

CaO + MgO / SiO2 + Al2 O3 = B değerinin 0.90 ile 1.10 arasında olduğu durumda elde edilir.

Bu aralıkta baziklik ve uygun viskozitedeki cüruflar tablo 4.2 ‘de gösterilmiştir. Ancak günlük

pratikte, hammaddelerdeki değişmelerden ötürü bu dört oksit orantılı olarak değişmediği için,

baziklik oranı B’yi çok yakın kontrol etmek güçtür. Cevherlerden gelen alumina girdisi az

olduğundan ve aluminanın kok külünden gelmesinden ötürü Alumina-magnezyum oksit oranı

aşağı yukarı sabit gibidir ve fırın operatörleri cevher değişiklerindeki silika girdisine göre

kireci ayarlayarak pratikte kireç / silika oranına göre çalışırlar. Bu nedenlerde sabit bir bazite

ile çalışmak güçtür.

Sabit CaO/SiO2 oranında çalışırken silika girdisindeki herhangi bir azalma daha az

CaO sarfetmektir. Fakat cürufta özellikle kokun külünden gelen Al2 O3 yüzdeleri artacağından

daha akıcı bir cüruf elde etmek için hazne sıcaklığını arttırmak gerekecektir. Bu şekildeki

cüruf düşük silisli ve düşük kükürtlü sıcak maden üretmek için pek uygun olmayacaktır. Sabit

B’lü B/A ile çalıştığında ise, yani B sabit tutuluyorsa , silika girdisinin azalmasından ötürü

azalması gereken kireç miktarı , sabit CaO/SiO2 ile çalışan duruma göre daha azdır, bu

nedenle de cüruf akışkanlığını korur.

4.7 Uygun Cüruf Bileşimi

Yüksek fırın cürufları başlıca kireç, alümina ve silisten ibarettir. Ayrıca küçük

miktarlarda magnezit, mangan oksit, demir oksit ve kalsiyum sülfür içerir. Cürufların

kimyasal bileşimleri yaklaşık olarak aşağıdaki sınırlar içindedir.

% 30 – 35 SiO2

% 35 – 45 CaO

% 10 – 15 Al2O3

% 2 – 10 MgO

% 0.1 – 1.2 MnO

% 0.2 – 0.4 Fe

% 1.0 – 2.0 S

Bu sınırlar içinde olan cüruflar 1300 – 1400 oC civarında erirler. İyi bir cüruf mümkün

olduğunca düşük ısıda erimeli ve demir damlalarının cüruf tabakası içinden rahatça

süzülebilmesi için yeter derece akışkan olmalıdır. Bu iki özellikte uygun kimyasal bileşimle

sağlanır. Genel olarak yüksek fırında her dökümde iki defa cüruf alınır ve bir ton sıcak

metalde karşılık 0.2 – 0.4 ton cüruf ele geçer.

Yüksek fırın cürufları çeşitli yerlerde kullanılmaktadır. Cürufların büyük kısmı kırılıp

istenen ölçülere getirildikten sonra, demir yolu traverslerinin altına ve yol yapımında

kullanılmasıdır. Minimum % 12 alümina içeren, ani soğumadan sonra camsı yapıyı koruyan

yüksek fırın cürufları çimento yapımına uygundur. Çimento yapımında kullanılan cürufların

43

granüle hale getirilmesi gerekir. Cürufu granüle hale getirmek için değişik yöntemler vardır.

Sıvı cüruf kısmen su ile doldurulmuş bir çukura dökülerek veya cüruf akımına su

püskürtülerek granüle edilebilir.

Ayrıca cüruf katılaşırken üzerine hava veya buhar üflenerek hafif, yanmaz ve ısıya

yalıtkan bir malzeme cüruf yünü elde edilir.

4.9 Yüksek Fırın Gazının Tüketilmesi

Yüksek fırını terk eden gazlar bir boru vasıtasıyla üst kısımdan toz toplayıcıya verilir.

Buradan gazın hızı ve dolayısıyla toz taşıma özelliği azalır ve gaz içindeki tozun büyük bir

kısmın bırakır. Yüksek fırın gazındaki toz parçacıklarının büyükleri 2 mm.’den birkaç mikrona

kadar değişir. 20 mech ten küçük olanlar toz toplayıcıda çökelmeyip gaz ile beraber

sürüklenir. Toz toplayıcıdan çıkan gaz yıkayıcıya gelir. Burada gaz akımına su püskürtülerek

içindeki parçacıklar ıslatılır. Islanan parçacıklar ağırlaşır ve su ile sürüklenir. Yıkayıcıda gazın

içindeki tozun %90 – 95’i giderilir. Gaz burada soğuma kulesine geçer ve üzerine sıvı

püskürtülerek sıcaklığı azaltılır. Soğuyan gazın sonra nemi alınır. Temizlenen gaz yüksek

fırına üflenen havayı ısıtan sobaları ısıtmada, kok fırınlarında kullanılır. Elde edilen toz

sinterlenerek yine yüksek fırında kullanılır. ( Yüksek fırın gazının yaklaşık yüzde bileşimi

%13-16 CO2 , % 22-27 CO , % 3-5 H2 , % 56-57 N2 ‘dır).

44