0

Doç.Dr. Halil ARIK

Kasım-2009

1

Extraction of Metals – Metallurgy The compounds of various metals found in nature as ores are mixed with impurities like sand and rock. The various processes involved in the extraction of metals from their ores and their subsequent refining are known as metallurgy. An overview of various processes involved during metallurgy is given below.

•

2

BÖLÜM 1

METALURJİ

Metalurji : Metal ve alaşımların, cevher veya metal içeren hammaddelerden, kullanım

sürecine uygun kalitede üretilmesini, saflaştırılmasını, alaşımlandırılmasını,

şekillendirilmesini, korunmasını, ve "üretim - kullanım" ömrü içindeki çevresel kaygı ve

sorumlulukları da dikkate alarak insanların ihtiyaçlarına cevap verecek özellikte ve biçimde

hazırlanmasını hedef alan bir bilim ve teknoloji dalıdır. Metalurji, kapsamı itibarıyla, üretim

metalurjisi (ekstraktif metalurji) ve fiziksel metalurji (malzeme) olmak üzere iki ana kısma

ayrılmaktadır.

Üretim Metalurjisi : Gerek doğada mevcut cevherlerden, gerekse metal içeren

hammaddelerden veya ikincil kaynaklardan (hurda, artıklar, baca tozları, vs.) fiziksel ve

kimyasal yöntemlerle saf metallerin veya alaşımların üretimi konularını kapsar. Üretim

metalurjisi, cevher hazırlama aşamasından başlayarak, pirometalurjik, hidrometalurjik ve

elektrometalurjik yöntemler uygulamak suretiyle metalin cins ve özelliğine uygun işlemler

seçmekte ve diğer endüstrilerde kullanılmaya elverişli saf metaller veya alaşımlar

üretmektedir.

Türkiye'de birincil kaynaklardan üretimi yapılan başlıca metal ve alaşımlar; demir-çelik,

alüminyum, bakır, çinko, kurşun, civa, kadmiyum, ferrokrom, antimon ve gümüş'tür.

Metalurji ve malzeme bilimi, metallerle birlikte seramikleri (porselen, fayans, tuğla, kiremit,

cam, ateş tuğlası, refrakter malzemeler, özel sermetler, vb. malzemeleri), organik yapı

malzemelerini (bilhassa plastikleri, kauçuk maddesini), çimento, ahşap, fiber ve kompozit

malzemeleri, elektrik-elektronik ve manyetik malzemelerini, dişçilik ve tıpta kullanılan

3

malzemeleri, yakıt malzemelerini ve bunların özelliklerinin geliştirilmesini ve üretimini

inceleyen bilim dalıdır. İnsanlığın ihtiyaç duyduğu geleceğe dönük mühendislik

malzemelerinin üretimi, "teknolojik - ekonomik - ekolojik" dengeler gözetilerek ve çevresel

sorumlulukların göz ardı edilmediği üretim yöntemleriyle mümkün olabilecektir. İnsanlık

tarihini taş devrinden tunç devrine, oradan da demir devrine ulaştıran bu "sanat", bugün temel

bilimlere dayalı ve çağdaş medeniyetin kuruluş ve gelişmesine en çok katkısı olan "Metalurji"

mesleği adı altında bilimsel ve teknolojik bakımdan geniş bir alanı kapsar hale gelmiştir.

Tarihi açıdan metal, önceleri doğal halinde kullanılmış ve bu da nabit metallerin

şekillendirilmesiyle mümkün olmuştur. İlk kullanılan nabit metaller, bakır ve altındır.

Metalurjinin tarihi ile Anadolu Medeniyetlerinin tarihsel gelişimi neredeyse özdeştir.

Arkeolojik bulgular bakır üretiminin ilk kez Anadolu ve İran topraklarında başladığını

göstermektedir. Bakırı işlemek suretiyle, mızraklar ve çeşitli silahlar yapan insanoğlu daha

sonraki yıllarda bakır ve kalayı karıştırarak bakırdan daha sert bir alaşım elde etmiştir.

Anadolu'da kalay bulunmadığı için Hititler, bakır ile arseniği alaşımlandırmak suretiyle yeni

bir alaşım bulmuşlar ve bütün bu gelişmeler de tunç çağının başlangıcına yol açmıştır. Aynı

şekilde ilk demir üretimi de M.Ö. 1500 yılında yine Anadolu'da yapılmıştır. Altın, Platin ve

gümüş gibi birkaç metal dışında bütün metaller doğada bileşik halde bulunmaktadır.

Mineral : Yeryüzünde doğal olarak varolan, benzer veya farklı fiziksel özellikleri olan ve

belli bir kimyasal formülle ifade edilebilen inorganik maddelerdir. Başka bir

ifadeyle mineraller, metallerin diğer elementlerle olan kimyasal bileşimleridir.

Cevher : Ekonomik değeri olan mineral veya mineral guruplarına maden, metal içeren

madenlere de cevher denir.

Yapılan araştırmalar sonucu yerküredeki elementlerin miktarları yaklaşık olarak tablo 1’de

verilmiştir. Tablodan’da görüldüğü gibi pek çok metalin temel bileşeni olan oksijen ilk sırada

4

yer alırken ikinci sırada bir başka ametal olan silisyum bulunmaktadır. Alüminyum ve demir

birer metal olup, ikinci ve üçüncü sırada yer almaktadır.

Tablo 1.Yer küredeki elementlerin miktarları (% ağırlık olarak)

1 % 10 Üzeri O (46.6); Si (27.7)

2 % 1 –10 Arası Al (8,1); Fe (5.0); Ca (3.6); K (2.6); Na (2.8); Mg (2.1)

3 % 0.1 –1 Arası C; H; Mn; P; Ti

4 % 0.01 – 0.1 Arası Ba; Cl; Cr; F; Rb; S; Sr; V; Zr

5 % 0.000-0.01 Arası Cu; Ce; Co; Ga; La; Li; Nb; Ni; Pb; Sn; Th; Zn; Yt

6 1 – 10 ppm Arası As; B; Br; Cs; Ge; Hf; Mo; Sb; Ta; U; W

7 0.1-1 ppm arası Bi; Cd; I; In; TI

8 0.1-0.01 ppm Arası Ag; Pd; Se

9 0.01-0.001 ppm Arası Au; Ir; Os; Pt; Re; Rh; Ru

Mevcut olan hammaddeden bir metali elde etmek için birbirini takip eden pek çok uygulama

mevcuttur. Buna bakır üretimini örnek gösterebiliriz.

5

Şekil 1. Metalik Bakırın Üretim Şeması

Bakır Cevheri (%1-2Cu)

Kırma ve Öğütme

Flotasyon

Kavurma Kalsine Eldesi

Reverber Fırınında Ergitme

Bessemer KonvertöründeHam Bakır Eldesi

Ateşle Rafine Fırını

Elektrolitik Rafinasyon

Atık içerisinde giden bakır miktarı % 0.1-0.2 Cu

Konsantre Bakır (%20-30 Cu)

Hava SO2 Sülfürik asit fabrikaları için

Curuf içerisinde bakır kaybı % 0.2-0.5

MAT Bakır (%30-50 Cu)

Hava

Curuf yapıcı

Bessemer Bakır (%98 Cu)

Curuf dönüşü

Anod Bakır (%99.5

Katot Bakır (%99.9Cu)

Bakırın Üretiminde Akım Şeması

6

EKSTRAKTİF METALURJİNİN KISIMLARI

0- Cevher Hazırlama

1- Piro-Metalurji

2- Hidro-Metalurji

3- Elektro-Metalurji

Cevher Hazırlama

Bir cevherdeki çeşitli mineralleri, kimyasal yapılarını bozmadan, endüstrinin ihtiyaçlarını en

iyi karşılayabilecek hammadde haline getirmek ve ekonomik değeri olanlarla olmayanları

birbirinden ayırmak için yapılan işlemlerin tümüdür. Cevher hazırlama çoğu zaman üretim

metalurjisinin bütün kısımları için yapılan ön hazırlık işlemleri durumundadır. Cevher

hazırlamanın iki önemli amacı vardır.

Ekonomik Amaç

Kuşkusuz metal üretiminde kullanılacak cevher içerisinde istenen mineraller yanında

istenmeyen mineraller de mevcuttur. Cevherin bu haliyle kullanılması başta nakliye olmak

üzere metalin üretim maliyetini öneli ölçüde artıracaktır. Bu olumsuzlukları gidermek ve daha

ekonomik bir üretim için mümkünse cevherin çıkartıldığı yerde cevher hazırlama

uygulamaları ile gerekli ve gereksiz malzemelerin birbirinden ayrılması gerekir.

Teknolojik Amaç

Cevher içerisindeki bazı maddeler daha sonraki teknolojik uygulamalar için problem

oluşturabilir. Bunun için başlangıçta bu maddelerin ortamdan mümkün olan ölçülerde

uzaklaştırılması gerekir. Ayrıca maden ocaklarından çıkarılan cevherler boyut ve şekil

bakımından bu haliyle doğrudan üretime uygun olmayabilir. Bu nedenle gerekiyorsa boyut

küçültme (kırma ve öğütme işlemleri), gerekiyorsa boyut büyültme (aglomerasyon

7

uygulamaları) gibi ön hazırlık işlemleri uygulanmaktadır. Örneğin yüksek fırında pik demir

üretimi için kullanılacak demir cevherinin yüksek fırına yüklenmeden önce belli bir parçacık

boyut aralığında olması istenir. Cevherin toz halde veya gereğinden daha büyük blok parçalar

şeklinde olması indirgeme reaksiyonlarında problem teşkil edecektir. Cevher hazırlama temel

olarak iki kısımdan oluşur;

a. Cevherdeki minerallerin serbest hale getirilmesi

b. Minerallerin konsantre edilip atık maddelerden ayrılması sağlamak.

Cevherdeki Minerallerin Serbest Hale Getirilmesi

Bir cevher içerisinde istenen ve istenmeyenler olmak üzere birden fazla mineral türü

bulunabilir. Bunları birbirinden ayırabilmek için serbestleşme boyutu denen boyuta kadar

kırma ve öğütme işlemleri ile boyut küçültme işlemine tabi tutulması gerekir. Boyut küçültme

işlemi temel olarak üç maksada yönelik olarak yapılır.

a. Cevherin gerekli ve gereksiz kısımlarını birbirinden ayırabilmek için fiziki serbestleşmeyi

sağlamak

b. Cevheri zenginleştirme cihazının kabul edebileceği boyuta getirmek.

c. Endüstrinin istediği özelliklere uygun hammadde haline getirmek

Boyut küçültme işlemleri için çeşitli kostrüksiyonlarda imal edilmiş birden fazla kırıcı ve

öğütücü değirmenler kullanılmaktadır.

Kırma : Katı bir maddenin mekanik kuvvetler etkisiyle daha küçük parçalara bölünmesi

işlemidir. Teknolojide kırma, kaba (50 mm’den büyük) ve ince kırma (50-5 mm) şeklinde

uygulanır. Kırma parçalanacak malzemenin sert yumuşak veya lifli yapıda olmasına göre;

basınç, darbe ve çarpma tipi kuvvetler yaratan cihazlarda gerçekleştirilir.

8

Şekil 2. Basma yükü altında cevherin kırılması. a) Yüksüz, b) Elastik gerilim altında, c) Çatlak oluşumu, d) Kırık parçacıklar.

Şekil 3. Çeşitli aşamalardaki cevher tane boyut dağılımı. a) Kırılmamış cevherin düzenli parçacık boyutu, b-b’) Cevherin bir defa kırılması, c-c‘) Cevherin ikinci defa kırılması, d-d’) Cevherin üçüncü defa kırılması, e) d ve d’nün karışım halde toplamını vermektedir.

Kırıcı Çeşitleri

Cevherlerin kırma işlemleri değişik konstrüksiyonlarda imal edilmiş kırıcılarda yapılmaktadır.

Bu kırıcıların laboratuar tipinden sanayi tipine kadar çeşitleri mevcuttur. En büyük tipleri

saatte 500 tona kadar cevher kırabilmektedir. Bu kırıcının küçültme oranı 4’ten 10’a kadar

9

değişmektedir. Çeneli kırıcılarda çeneler arası açı 20 derece olup, çenelere monte edilen sert

ağızlar % 13 Mn içeren Hadfield çeliğinden yapılmaktadır. Çalışma anında hareketli çene bir

kaç santimetre aralığında hareket edebilir. Dakikadaki vurma sayısı 60 ila 360 arasında

değişmektedir (Şekil 5).

Şekil 4. Çeneli Kırıcının Şematik Gösterimi. Sert çeneler siyah renkte gösterilmiştir.

Eksantirik

Dönüş yayı

Cevher besleme

Izgara

Volan

Biyel kolu

10

Şekil 5. Döner Kırıcının Şematik Gösterimi Sert çeneler siyah renkte gösterilmiştir.

Şekil 6. İkinci Aşama İçin Konik Kırıcının Şematik Gösterimi.

11

Şekil 7. Merdaneli Kırıcının Şematik Gösterimi.

Şekil 8. Çekiç Kırıcının Şematik Gösterimi.

Öğütme : Malzeme boyutunu 5 mm’nin altına indirme işlemine öğütme adı verilir. Öğütme

işlemleri 5-0,5 mm arasında kaba 500-50 μm arasında ince öğütme olarak ikiye ayrılır. 50-5

μm tane boyutu aralığında yapılacak öğütmeler çok ince öğütme, 5 μm altındaki öğütmeler

kolloid öğütme olarak sınıflandırılır.

Besleme

Besleme

Ürün

12

Cevher hazırlama tesislerinde yaygın olarak kullanılan bilyeli değirmenler değirmen çapına

göre dizayn edilirler. Değirmenin boy/çap oranı kaba öğütme için 0.7-1.0 ince öğütmeler için

1.0-2.0 arasındadır. Bilyenin hareket hızı 42,3 √D (D: m cinsinden çap) olmalıdır. Bilye

çapı ise D/20’den küçük veya öğütülen malzemenin tane boyutu bilye çapına bağlı

olduğundan d = 283√θ’ye (d : mm olarak bilye çapı, θ : μm olarak öğünenin tane çapı) eşit

seçilmelidir. Bilyeli değirmenlerde kuru ve yaş öğütme yapılabilir. Kuru öğütmelerde bilye

doldurma hacmi değirmen hacminin % 35-45’i yaş öğütmede ise % 40-50’si kadar olmalıdır.

Şekil 9. Bilyeli Öğütmenin Şematik Gösterimi

Şekil 9. Sulu ortamda bilyeli öğütücünün şematik gösterimi

Şekil 10. Hava akımı içerisindeki öğütmenin şematik gösterimi

Motor

Sklona gidiş

Fandan hava girişi Besleme

Ürün çıkışı – 100 μm

Motor Sınıflandırıcılara

13

Boyut Küçültme Teorileri

Katı bir cismin iç bağlantı kuvvetlerini yenecek miktarlarda kuvvet uygulandığında, bu cisim

küçük parçalara bölünmekte ve kırma-öğütme işlemleri gerçekleşmektedir. Bir cevhere

uygulanacak yüzey büyütme işlemi için gerekli gücün, giren ve çıkan malzemenin tane

boyutları arasındaki çeşitli bağıntılara bağlı oluşu Rittinger, kick ve Bond’un boyut

teorilerinin esasıdır.

Bugün boyut küçültmede harcanan teorik enerji miktarı Bond teorisine göre;

Formülde :

W : Birim ağırlıktaki cevheri kırmak veya öğütmek için gerekli enerji (kwh/ton)

Wi : İş endeksi (kwh/ ton) (Tablo 2)

d1 : Ufalanmış malzemenin % 80’inin geçtiği elek açıklığı (μm)

d2 : Ufalanacak malzemenin % 80’nin geçtiği elek açıklığı (μm) olarak verilmiştir.

Not : Kırıcı ve değirmen dizaynlarında motor gücü, hesaplanan değerden % 25 fazla alınır.

Tablo 2. Çeşitli cevher ve malzemelerin özgül ağırlıkları ve ortalama iş endeksleri.

Malzeme

Özgül Ağırlığı (g/cm3) Ortalama İş Endeksi (kwh/ton)

Boksit 2.38 10.40

Krom cevheri 4.06 10.56

Kok 1.51 22.77

Bakır Cevheri 3.02 14.44

Dolomit 3.82 12.44

W = 10xWi ( - 1 1

d2 d1

Formülüyle hesaplanır.

14

Florit 2.98 10.74

Galen 5.59 11.21

Çakıl 2.70 27.69

Demir Cevheri 3.29 16.94

Kurşun Cevheri 3.44 12.54

Pirit Cevheri 3.48 9.97

Kuvars 2.65 18.11

Çinko Cevheri 3.68 13.66

Sınıflandırma

Kırılmış veya öğütülmüş cevherin sınıflandırılması elekler veya diğer sınıflandırıcılarda

yapılır. Genellikle parçacık boyutu 30-40 mm’den 1 mm’ye kadar olan malzemeler eleklerle

sınıflandırılırken 1 mm’nin altındaki boyutların sınıflandırılmasında su veya hava gibi

akışkanlardan istifade edilen diğer sınıflandırıcılar kullanılmaktadır. Sınıflandırmanın temel

maksatları şu şekilde sıralanabilir.

- Cevheri cevher zenginleştirme yöntemine uygun gelecek şekilde sınıflamak

- Kırma ve öğütme devresini kontrol etmek

- Endüstrinin istediği özelliklerde ürün elde etmek.

Eleme : Eleme, kırılan veya öğütülen malzemeyi tane boyutuna göre sınıflandırmak için,

mekanik kuvvetler yardımıyla delik boyutu ve sayısı standart olan bir ortamdan (elek)

geçirme işlemidir. Cevher hazırlama tesislerinde eleme sabit veya hareketli sistemlerde yapılır.

Sabit eleme için eğimli ızgaralar kullanılmaktadır. Ancak çoğu kere ızgaralara tıkanmaları

önlemek için mekanik bir hareket verilir. Hareketli eleklerden tambur elekler ve titreşimli

eleyiciler geniş uygulama alanları bulmaktadırlar. Laboratuarlarda yapılan küçük çaplı eleme

işlemlerinde örneğin Ro-Tap tipi bir eleme makinesi kullanılırken 50 gr numune için eleme

süresi 15 dakikadır.

15

Eleme : Eleme, kırılan veya öğütülen malzemeyi tane boyutuna göre sınıflandırmak için,

mekanik kuvvetler yardımıyla delik boyutu ve sayısı standart olan bir ortamdan (elek)

geçirme işlemidir. Cevher hazırlama tesislerinde eleme sabit veya hareketli sistemlerde yapılır.

Sabit eleme için eğimli ızgaralar kullanılmaktadır. Ancak çoğu kere ızgaralara tıkanmaları

önlemek için mekanik bir hareket verilir. Hareketli eleklerden tambur elekler ve titreşimli

eleyiciler geniş uygulama alanları bulmaktadırlar. Laboratuarlarda yapılan küçük çaplı eleme

işlemlerinde örneğin Ro-Tap tipi bir eleme makinesi kullanılırken 50 gr numune için eleme

süresi 15 dakikadır.

Şekil 11. Cevher Hazırlamanın Komple Şematik Olarak Gösterimi.

Diğer Sınıflandırıcılar

Kırma ve öğütme işlemi ile belli serbestleşme boyutuna indirgenmiş cevheri boyutlarına göre

ayırmak veya bütün malzeme aynı boyutta olsa bile farklı mineralleri başta yoğunluk olmak

üzere diğer özelliklerinde istifade ederek birbirinden ayırma işlemlerinde kullanılan bazı

16

ayırıcılar bulunmaktadır. Mineralleri parçacık boyutuna veya yoğunluğuna göre sınıflamada

su kullanan bazı ekipmanlar vardır (Şekil 11).

Şekil 12. Değişik Tip Sulu Ortam Ayırıcıları.

ZENGİNLEŞTİRME

Zenginleştirme, değerli mineralleri değersiz olanlardan ayırma işlemidir. Bu ayırma işlemi

minerallerin fiziksel, fizikokimyasal ve kimyasal farklılıklarından istifade etmek suretiyle

yapılmaktadır. Zenginleştirme işlemi sonucunda kazanılan değerli ürüne konsantre değersiz

ürüne ise atık denmektedir. Halen dünyadaki zengin maden yataklarının tükenmiş olması

17

düşük tenörlü cevherler üzerine çalışmak zorunluluğu, cevher zenginleştirme metotlarının

önemini her gün biraz daha artırmaktadır. Cevher zenginleştirmek suretiyle değerli

mineraller daha az bir kitlede toplanmış olurlar. Böylece ; nakliye, ergitme masraflarından da

tasarruf sağlanacağı gibi zararlı olan bazı yabancı maddeler metal taşıyan kitlelerden ayrılmış

olur ve daha sonraki ergitme işlemlerinde yapılacak cürufta daha az metal kaybı verilmiş olur.

Cevher zenginleştirme metotları tatbik edilmemiş olsaydı, halen çalışılan bir çok madenler

cevher yatağı vasfını kazanamazdı. Konsantrelerin direkt olarak ergitilmesi, cevhere nazaran

tonajın çok azalması ve metal tenörünün yükseltilmesi neticesi kazanç sağlamaktadır. Aynı

zamanda ergime safhasında kullanılan katık maddelerinin tüketimi de çok azalmış olacaktır.

Zenginleştirme işleminde dikkat edilecek hususlar şu şekilde sıralanabilir.

- Cevher mümkün olduğunca iri parçacık boyutlarında zenginleştirilmelidir. Aksi halde

gereğinden fazla boyut küçültme işlemi maliyeti ve bazı ürün kayıplarını artıracaktır.

- Mümkünse ön konsantre ve atık alma yoluyla maliyet azaltılmalıdır.

- Cevher içerisinde bulunan birden fazla değerli mineral ayrı ayrı kazanılarak gelir

artırılmalıdır.

Ayırıcılar : Kırma ve öğütme sonunda iki veya daha fazla farklı mineral içeren malzeme

minerallerin fiziksel, kimyasal v.b. özellik farklılıklarından istifade ederek birbirinden

ayrılabilir. Bu tür uygulamalar için manyetik ayırma ve elektrostatik ayırma verilebilecek en

basit örneklerdir (Şekil 14-15).

18

.

Elektrik iletimi olan parçacıklar

İletken olmayan parçacıklar

Besleme

Pulp çıkışı

Pulp girişi Mağnetik konsantre

Sıyırıcı

Döner çelik disk

Mıknatıslar

Şekil 13. a) Kur sistem , b) Yaş sistem Mağnetik ayırıcının şematik görünümü

Şekil 14. Elektrostatik ayırıcının şematik görünümü

Elektromanyetikler

Güçlü Zayıf

Mağnetik

Mağnetik olmayan

Besleme

19

Flotasyon

Flotasyon günümüzde kullanılan en yaygın cevher zenginleştirme metotlarından biridir. Bu

yöntemle yeterli tane boyutuna getirilmiş düşük tenörlü cevherlerden, ekonomik olarak metal

üretimi yapılabilecek tenörde konsantreler elde etmek mümkündür.

Flotasyonla cevher zenginleştirmenin temel prensibi, ince öğütülmüş malzemeyi suyla

karışım haline getirmek, ilave kimyasal maddelerle değerli yada gangı (atık) yüzey kimyası

açısından hidrofob (suyla ıslanmayan) veya hidrofil (suyla ıslanan) yapmak ve hidrofob ürünü

pulp içinde yaratılan hava köpükleriyle yüzdürmektir. Yüzdürülecek cevherin tane boyutu

minerallerin yoğunluk ve özelliklerine bağlıdır. Genellikle 0,20-0,04 mm civarında öğütülmüş

cevherler başarıyla yüzdürülebilmektedirler.

Şekil 15. Flotasyon Ünitesinin Şematik Görünümü.

20

Şekil 16. Basınçlı Hava İle Çalışan Flotasyon Ünitesinin Basitleştirilmiş Hali. Tablo 3. Metalurjik Denge Tablosu Ürün Miktar (ton) Analiz (%) Miktar (ton) Randıman (%) Cevher 500 3,3 16,50 100 Konsantre 80 20,0 16,00 95 Artık 420 0,12 0,50 5

Boyut küçültme ile ilgili problemler

Problem 1. Maksimum parçacık boyutu 90 cm olan bir cevherin zenginleştirme devresine

beslenmesi düşünülmektedir. Cevherin tamamının 4 cm’ye indirilmesini sağlayacak kırma

devresini çiziniz ve boyut küçültme oranlarını belirtiniz.

21

Çözüm : Problem 2. Bir bakır minerali olan kalkopiritin (CuFeS2) serbestleşme boyutu 0,2 mm ‘dir.

Cevherin ocaktan üretildiği şekliyle maksimum parçacık boyutu 75 cm’dir. Üç kademeli bir

kırma devresi ve iki kademeli bir öğütme devresi içeren boyut küçültme devresini çiziniz.

Uygulama birimlerini ve boyut küçültme oranlarını belirtiniz.

Çözüm :

Konik Kırıcı (ikincil kırıcı) Kapalı Devre 18 B.K.O. = = 4,5 4

Çeneli Kırıcı (Birincil Kırıcı) Açık Devre 90 B.K.O. = = 5 18

- 18 cm

- 18 cm

Titreşimli Elek (4 cm)

- 4 cm

- 4

- 90 cm

+ 18 cm Izgara (18 cm)

22

- 75 cm

+ 15 cm Izgara (15 cm)

- 15 cm

-15 cm

Titreşimli Elek (3 cm)

Çeneli Kırıcı (açık devre) B.K.O. = 5

-3 cm

- 3 cn

Titreşimli Elek (1 cm)+ 1 cm

- 1 cm

- 0 1 cm

- 0 2 mm

- 0 2 mm

- 0 2 mm

+ 0 2 mm

0.2 mm Sınıflandırıcı ( - 1 mm + 0,2 mm)

0.2 mm Sınıflandırıcı

Konik Kırıcı (açık devre) B.K.O. = 5

Merdaneli Kırıcı (Kapalıdevre) B.K.O. = 3

Çubuklu Değirmen (Açık devre) B.K.O. = 10

Bilyeli Değirmen (Kapalı devre) B.K.O. = 5

23

BÖLÜM 2

PİROMETALURJİ

Pirometalurji, yüksek sıcaklıklar gerektiren bir ekstraktif metalurji metodu diye tarif edilebilir.

Pirometalurji işlemlerinde gerekli olan ısı yakıt yakmak suretiyle karşılanmaktadır. Yakıt

yanması sonucu elde edilen ısı ile birlikte çıkan indirgeyici (indirgeyici) gazların mineralleri

indirgemesi ile metaller elde edilmektedir. İşlem için gerekli ısı, elektrik enerjisinden

faydalanmak suretiyle karşılandığı zaman, bu tatbikat Elektrotermik diye adlandırılmaktadır.

Cevherler, konsantreler, ara ürünler, yakıtlar, katkı maddeleri ve havanın oksijeni piro –

metalurji işlemlerinin hammaddesini teşkil etmektedir. Pirometalurjinin ürünleri ise mat,

metaller, alaşımlar vb. malzemelerdir.

Pirometalurji İçinde Yeralan Uygulamalar;

- kurutma

- kalsinasyon

- kavurma

- sinter yapma

- ergitme

- destilasyon

- konvertisaj

- ateşle tasfiye

- döküm v.b uygulamalar şeklinde sıralanabilir.

24

Kurutma : Isıtmak suretiyle cevher, konsantre, katık maddeleri ve bazı hallerde havanın

rutubetinin alınmasıdır. Kurutma genellikle soğuk katı maddeleri sıcak hava veya gazlarla

temas ettirmek suretiyle yapılır ve suyu uçurulur.

Gazların kurutulması

Bazen hava veya gazların içerisindeki rutubetin alınması istenmektedir. Havanın rutubeti

alındığında bu havaya kuru hava denmektedir. Havanın kurutulmasında en çok kullanılan

metot rutubetli havayı kalsiyum klorür veya silika jel içerisinden geçirmekle yapılır.

Kalsinasyon: Kalsinasyon, bir bileşiğin sıcaklık tesiriyle parçalanmasıdır. Pirometalurjik

işlemlerde özellikle karbonat ve hidratların kalsinasyonuyla her an karşılaşmak mümkündür.

Magnezit MgCO3 ---------------------> MgO + CO2 625 oC

Kalker CaCO3 -----------------------> CaO + CO2 910 oC

Dolomit Mg Ca (CO3)2 --------------> MgO + CaO + 2CO2 730 oC

Kireç taşı (CaCO3), magnezit (MgCO3) ve dolomit (Mg.Ca (CO3)2) gibi toprak alkali

karbonattlar özellikle üretim metalurjisinde temel cüruf yapıcı ve refrakter hammaddesi

olarak yaygın kullanım alanı bulurlar. Bu bileşikler işleme katılmadan önce yada işlem

sırasında mutlaka bir kalsinasyona tabi tutulurlar.

Kavurma : Sülfür cevher veya konsantreleri açık havada yüksek sıcaklıklarda ısıtmak

suretiyle, erime olmaksızın daha sonraki metalurjik işlemlere uygun olacak şekilde gerekli

fiziksel ve kimyasal değişikliklerin sağlanmasıdır. Kavurma sonunda elde edilen ürüne

kalsine denir.

25

Kavurmaya en iyi örnek olarak sülfür minerallerinin yüksek sıcaklıkta havanın oksijeni

tarafından yakılarak metal oksitlerin ve SO2 gazlarının elde edilmesi verilebilir.

2ZnS +3O2 ------------------------>2ZnO + 2SO2 ΔH = -222400 Cal

Bu çeşit bir kavurmaya oksit kavurma denmektedir. Kavurmada havanın oksijeni daima

oksitleyici element olarak kullanılır.

Kurşun sülfür (PbS) (galen) mineralinden kurşun elde edilmesindeki uygulama da kavurma ve

kızdırma işlemine iyi bir örnek teşkil edebilir.

Kavurma 2 PbS + 3 O2 ----------------------> 2 PbO + 2 SO2

Elde edilen kurşun oksit maddesine uygun oranda galen katılarak tekrar kızdırılır.

Bu karışım havanın etkisinden korunarak fırınlarda kızdırılır. Kızdırma işlemi sonucu;

Kızdırma 2 PbO + PbS ----------------------> 3 Pb + SO2

Kavurma genellikle daha sonra uygulanacak hidrometalurji ve pirometaluri işlemlerine bir

hazırlık olarak yapılır.

Kavurmanın Kimyasal ve Fiziksel Şartları

Pratik olarak bütün sülfür içeren mineraller ateş alıp yanabilmektedir. Bu yüzden bazı yüksek

kükürtlü cevher veya konsantreler otojen (kendiliğinden) kavrulabilirler. Bu tip minerallerin

yanması sonucu elde edilen ısı reaksiyonun devam etmesi için yeterli gelmektedir. Yeterli

26

olmadığı durumlarda yakıt yakarak dışardan sisteme ısı vermek gerekir. Bir cevher veya

konsantrenin otojen olarak yanabilmesi üç şarta bağlıdır.

1. Cevherdeki sülfür içeren mineralinin cinsine

2. Cevherdeki sülfürlü mineralin yüzdesine

3. Kullanılan kavurma fırını tipine

4. Cevher veya konsantrenin parçacık boyutu

Cevherleri kavurmanın esas gayesi, sülfür haldeki mineralleri daha sonraki metalurjik

işlemlere uygun olacak şekilde oksit veya sülfat hale getirmektir. Bu oksitleme işlemi

yapılırken sülfürlerin erimemesi gerekir. Kavurma anında istenmeyen bazı yabancı

maddelerin buharlaşıp uçarak cevheri terk etmesi, kavrulan malzemenin sinter olması diğer

sağlanan faydalardır.

Kavurma için hangi tip fırın kullanılırsa kullanılsın sülfür mineral taneciklerinin hava

cereyanına tabi tutulması ve yakılması istenmektedir. Hava sıcak sülfür mineral yüzeyleriyle

temas ettiğinde aşağıdaki reaksiyonlar gerçekleşir

4 FeS2 + 11O2 -------------------> 2 Fe2O3 + 8 SO2 ΔH = -808320 Cal

2 Cu2S + 3 O2 --------------------> 2 Cu2O + 2 SO2 ΔH = -188900 Cal

Fırına verilen hava akıntısı, reaksiyondan elde edilen (SO2) gazlarını da birlikte sürükleyip

fırın dışına atacaktır. Kavurma reaksiyonu öncelikle sülfür mineral tanesinin yüzeyinde olur

ve reaksiyon ilerledikçe oksit yüzeyde sinter bir tabaka meydana getirir. Oksijenin sülfürle

reaksiyon yapmaya devam edebilmesi için gazların bu oksit tabakasından geçerek içerlere

nüfuz etmesi gerekmektedir. Böylece oksit tabakası kalınlaştıkça kavurma reaksiyonu ters

yönde ilerleme eğilimi gösterir. Çünkü belli bir süre sonra ortamdaki oksijen konsantrasyonu

azalacak ve kükürtdioksit konsantrasyonu artacaktır. Bu nedenle mineralin kavurma anında

27

fırından geçme zamanını ve cevherin parçacık boyutunu iyi ayarlamak gerekmektedir.

Kavurma işlemlerinde tam kavurma dendiği zaman cevher kompozisyonundaki kükürdün

tamamen (veya ekonomik bakımdan gerekli görülen miktarda) yakılması anlaşılmaktadır.

Çok Katlı Döner Fırınlarda Kavurma

Çok katlı kavurma fırını dikey bir silindir şeklinde olup, çok sayıda katlara sahiptir. Hava

fırına alttan verilir ve katları dolaşır, sülfür mineralleri ile temas sonucu gerekli reaksiyonları

yaptıktan sonra üst yan taraftan fırından çıkar. Kavurma işlemi otojen olarak yapılmadığı

takdirde fırının alt birkaç katında yakıt yakılarak sisteme ek ısı verilir. Cevher fırına üstten

yüklenir, katlardan aşağıya dökülerek en alt kattan kavrulmuş olarak dışarıya alınır. Böylece

cevher yukardan aşağı inerken aşağıdan gelen hava ile temas ederek sürekli reaksiyona girer.

Genellikle üstten ilk kat cevheri kurutmaya yarar. Her katta cevher belli bir hızda

karıştırılarak hem yeni sülfürlü yüzeylerin açığa çıkması hem de cevherin alt katlara düşmesi

sağlanır. Çok katlı fırınlar, çelik saçtan yapılmış bir gövdeye ve bu gövdeye tespit edilmiş

katları ihtiva eder. Merkezde döner bir silindir olup, karıştırma kolları bu silindire bağlıdır ve

onunla birlikte dönerler. Çelik gövde içten ve cevherin döküldüğü katların üst kısmı refrakter

tuğla ile örülmüştür. Böylece kavurma esnasında meydana gelen kükürtlü gazlar fırının çelik

kısmına zarar vermeyeceği gibi, fırın içerisindeki ısınında dışarıya gitmesi önlenmiş olur.

Fırın içerisindeki sıcaklık sülfür minerallerinin ergime derecelerine kadar yükselmemelidir.

Tipik bir çok katlı kavurma fırının 7,5 m çapta ve 6 ila 12 kat arasındadır. Böyle bir fırın

günde 100-200 ton sülfür malzemeyi kavurabilmektedir. Karıştırma kollarının aşırı derecede

ısınmaması için içten hava veya su ile soğutulurlar.

28

Şekil 17. Çok katlı kavurma fırınının şematik gösterimi

29

Flaş Kavurma Fırınında Kavurma Uzun zamandan beri kavurmanın fiilen, cevher bir kattan alttaki kata dökülürken geçen kısa

zamanda olduğu bilinmektedir. Sülfür mineral taneleri hava içinden aşağıya dökülürken,

onların yüzeylerinin tamamı havanın oksijeni ile temas halindedir. Netice olarak hızla

yanarlar. Şayet kavurma tamamen cevher hava içinde dökülürken, aşağıdan yukarı yükselen

hava tarafından yapılırsa, bu çeşit kavurmaya flaş kavurma denmektedir.

Flaş kavurmasının etkili bir şekilde yapılabilmesi için cevher veya konsantrenin ince

öğünmesi lazımdır. Bunun sonucu olarak kavurma fırını gazlarıyla fazla toz taşınmış olacaktır.

Fakat kavrulma çok hızlı olduğu için fırın kapasitesi aynı boyuttaki, çok katlı fırına nazaran

daha fazladır. Şekil. 18’de, Trail - British Colombia - Kanada İşletmesinde kullanılan flaş

kavurma fırınını görülmektedir. Bu fırın çinko konsantrelerini kavurmada kullanılmaktadır.

Fırının boyutları, yukarıda verilen çok katlı fırınınki gibidir. Ancak orta katlar çıkarılmak

suretiyle bir çeşit cehennemlik haline getirilmiştir. Yaş konsantre silodan dökülerek, kurutma

katlarından geçer. Kurumuş malzeme besleyici yardımıyla bilyalı değirmene gelir. Değirmen,

kurutma esnasında iri parça haline gelmiş (aglomera olmuş) konsantreleri tekrar öğütmeye

yarar. Bir asansör, kurumuş ve öğütülmüş malzemeyi yukarıdaki silo ve besleme tesisatına

taşır. Yanma için gerekli havayı veren vantilatör, brülör yardımıyla deki malzeme yanma

cehennemliğine püskürtülmüş olur. Burada yanma olur, sıcaklık 900 - 950°C ye kadar

yükselir. Kavrulmuş malzeme, alttaki katlarda toplanmış olur. Bu katlarda karıştırıldıktan

sonra dışarı alınır. İstendiği taktirde kavrulmuş malzeme alttaki hücreye alınır ve burada fazla

miktarda S02 gazı ortamında karıştırılmak suretiyle çinko oksidin belirli bir kısmı sülfat haline

getirilir. Trail işletmesinde bu şekildeki 8 adet flaş kavurma fırını 25 adet çok katlı kavurma

fırınının yerini almıştır.

30

Şekil 18. Flaş tipi kavurma fırınının şematik gösterimi

Yükleme (Islak yada Kuru)

Kurutma veya ön Isıtma Bölgeleri

Oksidasyon Bölgesi

Toplanma ve Sülfat Oluşum Bölgeleri

Sülfat Oluşumuna Katkı Sağlayan Soğuk SO2 Dönüşümü

Ana Baca

Brülör

Hava Fanı

Plverizatör

Cevherin Fırına Tekrar Dönüşü

Sıcak Aglomera Cevher

Gazların Temizlenmesi ve SO2 Eldesi

Havanın Ön Isıtmasının Yapılması

31

Sülfürlü bakır konsantrelerinin temel mineralleri kalkoprit (CuFeS2) ve pirittir (FeS2). Bu

minerallerdeki bakır ve demiri ayırmanın bilinen en kolay yolu 650 °C’de hava ile yapılan

kavurma işlemi ile bakırı suda veya seyreltik sülfürik asitli çözeltilerde çözünür sülfatlar

(CuSO4 veya CuO.CuSO4) haline dönüştürürken, demiri oksit (Fe2O3 Hematit) haline

dönüştürmektir. Kavurma işlemi ile üretilen sülfat oksit karışımı kalsine suda çözümlendirme

işlemine tabi tutulursa, bakırı suda çözüp, demiri katı atıkta bırakarak, bakır ve demir

Gazların Temizlenmesi ve SO2 Eldesi

Sıcaklık Kontrolüİçin Su SpreyiUygulaması

Kurutma veya ön Isıtma Bölgeleri

Sklon

Sıcak Kalsine

Su Spreyi

Sertleşmiş Kalsine Çamuru

Gerektiğinde Yardımcı Yakıt

Hava

Izgara

Cevher Tozu Borusu

Şekil 19. Sülfid cevherinin kavrulmasının şematik gösterimi

32

metallerini birbirinden ayırmak mümkün olmaktadır. Yukarda verilen minerallerin 400-700

°C sıcaklıklar arasında havanın oksijeni ile yaptığı bilinen reaksiyonlar şunlardır.

2 CuFeS2 (k) --------------------------------> Cu2S (k) + 2 FeS (k) + ½ S2 (g)

Cu2S (k) + 3/2 O2 (g) -----------------------> Cu2O (k) + SO2 (g)

Cu2O(k) + 1/2 O2 (g) ----------------------> 2 CuO (k)

3 FeS (k) + 5 O2 (g) ------------------------> Fe3O4 (k) + 3 SO2 (g)

2 Fe3O4 (k) + 1/2 O2 (g ) -------------------> 3 Fe2O3 (k)

1/2 S2 (g) + O2 (g) ---------------------------> SO2 (g)

FeS2 (k) ---------------------------------------> FeS (k) + 1/2 S2 (g)

Aglomerasyon İşlemleri

Toz haldeki demir cevherlerini ve çeşitli cevher hazırlama yöntemleriyle zenginleştirilmiş

demir cevheri konsantrelerini yüksek fırınlarda kullanılabilecek hale getirme işlemlerine genel

olarak AGLOMERASYON adı verilmektedir. Aglomerasyon genellikle toz ceverlerin ve

konsantrelerin boyut büyütme işlemleri olarak görülse de boyutla beraber yüksek fırına

yüklenecek demir cevherlerinde aranan diğer bazı özellikleri (sertlik, mukavemet,

indirgenebilirlik, gözeneklilik v.b.) de yakından ilgilendirmektedir.

Bilhassa düşük tenörlü cevherlerin, cevher zenginleştirme yöntemleri ile tenörlerinin

yükseltilmesi, istenmeyen zararlı safsızlıkların giderilmesi gibi uygulamalar aglomerasyon

işlemlerinin önemini her gün biraz daha artırmaktadır. Günümüzde, demir cevheri ve

konsantrelerine uygulanan aglomerasyon yöntemlerinden sinterleme ve peletleme çok büyük

boyutlara ulaşmıştır.

33

Sinterleme

En genel anlamda sinterleme; ince toz halindeki bir maddeyi basınç uygulamaksızın, ergime

derecesi altındaki bir sıcaklığa ısıtarak aglomere etmek, yani ince partiküllerin yüzeylerini

birbirlerine yapıştırarak belli bir kütle elde etmektir.

Demir cevherlerinin sinterlenmesi

Sinterleme esas olarak, rutubetlendirilmiş demir cevheri tozları ve diğer toz haldeki

malzemelerin katı yakıt (kok tozu) ile beraber karışım halde geçirgen bir taban üzerine

yüklenerek daha sonra karışımın üst yüzeyindeki elde edilen yüksek sıcaklıkla ve geçirgen

tabandan devamlı hava emilerek sağlanan bir ortamda yapılmaktadır. Sinterleme sonunda toz

demir cevheri ısı ve oksidasyon etkisiyle ısıl sertleşmeye uğrar ve kompakt duruma getirilmiş

olur. Sinterleme en yaygın şekilde demir cevherlerine uygulanmaktadır. Bu nedenle entegre

demir-çelik tesislerinde sinterleme üniteleri mevcuttur. Sinterleme suretiyle;

1- Toz halindeki cevherler değerlendirilir

2- Cevherlerdeki mevcut kükürt giderilir.

3- Yüksek fırının kapasitesi artırılır.

4- Kok kömüründen tasarruf sağlanır

5- Manyetit cevheri kısmen hematite çevrilerek yüksek fırındaki indirgenme kolaylaştırılır.

34

Şekil 20. Sinterlemede akım şeması

Peletleme

Düşük tenörlü veya safsızlıkları yüksek fırınlarda kullanılamayacak derecede fazla olan

cevherler, yüksek fırına verilmeden önce zenginleştirme işlemine tabi tutulurlar.

Zenginleştirme sonrası elde edilen konsantre ürün bu haliyle yüksek fırında kullanılmaya

uygun değildir. Bu durumda konsantre ürünün içerisine katılan bir bağlayıcı madde ile nem ve

ısı yardımıyla belli boyutlarda sertleştirilme işlemine peletleme denir. Peletleme işleminde iki

temel uygulama safhası vardır.

1. Yaş pelet üretim safhası

2. Yaş peletlerin pişirilmesi

A- Geri dönen ince Sinter B-C- ince cevher D- Kok E- Kireçtaşı

F- Çok ince tozlar 1- Karıştırma tromeli 2- Besleyici 3- Ateşleyici 4- Toz tutucu 5- Sinter kırıcı

6- Sıcak elek 7- Soğutucu 8-Soğuk elek

9- Y.F. gönderilenelek üstü 10- Elek altı ürün 11- Geri dönen (elek altı)

12- Toz Tutucu 13- Fan 14- Baca

35

Yaş peletlerin pişirilmesi

Kurutma : Kurutma bölümünde sıcaklık yaklaşık 380 °C olup bu bölümde peletlerin rutubeti

ve kısmende yapısal suyu alınmaktadır.

Ön ısıtma bölgesi : Bu bölümde sıcaklık yaklaşık 970-1130 °C civarındadır. Bu bölümde

cevherdeki yapısal su atılmaktadır. Hidratlar, karbonatlar ve sülfatlar parçalanarak ayrışır.

Cüruf bağları oluşmaya başlar. Magnetit (Fe3O4) hematite (Fe2O3) dönüşmeye başlar. Aynı

zamanda 50-60 kg/pelet mertebesinde bir mukavemete kavuşurlar.

Döner fırın : Fırın sıcaklığı yaklaşık 1250-1320 °C kadardır. Bu bölgede ön ısıtma

bölgesinde başlayan cüruf bağları ve kristal büyümesi tamamlanır. Bu fırının çapı yaklaşık 5.2

m boyu 34.5 m ve eğimi yaklaşık 3° kadardır. İşletme tonajına bağlı olarak 0.5-1.5 dev/dak

hızla dönen fırında yakıt olarak fuel-oil kullanılmaktadır. Yüksek fırınlarda kullanılacak

peletlerden temel olarak istenen iki önemli özellik vardır.

1. Basınç dayanımı

2. Gözenek miktarı

Şekil 21. Peletlemede akım şeması

36

Ergitme : Uygun fırınlarda ve yüksek sıcaklıklarda, şarjın kimyasal reaksiyonlar ve ısı

neticesi eritilmesidir. Ergitme işlemleri için endüstriyel ölçüde düşey (Yüksek fırın, Water

jaket fırını) veya yatay (Reverber fırını) fırınlar kullanılmaktadır. Demir (pik) kurşun, düşey

fırınlar kullanılmak suretiyle üretilmektedir. Düşey fırınlarda yakıt olarak daima kok kömürü

kullanılmaktadır. Kok kömürü fırında gerekli ısıyı sağladığı gibi aynı zamanda kısmi yanması

sonucu elde edilen (CO) gazı ve kendi karbonu vasıtasıyla metaloksitleri indirgemeye

yaramaktadır. Sülfür bakır cevher veya konsantrelerin ergitilmesinde demir ve kurşunda

olduğu gibi direkt olarak metal elde edilmeyip, bir ara ürün olan MAT elde edilir. Mat; bakır

sülfür (Cu2S) ve demir sülfür (FeS) karışımıdır. Eritilen ürünlerinden açığa çıkan cüruf ve

aynı zamanda fırın gazları vardır. Sıvı cüruf, fırına verilen şarj içindeki gang minerallerin

yapılarındaki kuvars ve bazik oksitlerden meydana gelen bir silikatlar bileşimi olup,

genellikle değerlendirilemeyip atılırlar.

Katkı maddeleri : Ergitme tipi fırınlara yüklenen cevher, konsantre gibi maddelere ilaveten

bunlarla birlikte uygun özellikte cüruf yapıcı metal içermeyen maddeler katılır ve bu

maddelere katkı maddeleri denir. Bu maddeler genellikle kireçtaşı (CaCO3), dolomit (Mg.Ca

(CO3)2) ve kuvars (SiO2) dır.

Konvertisaj : Sıvı haldeki metal veya ara ürün içine basınçlı hava üfleyerek yabancı

maddeleri bünyeden uzaklaştırmaktır.Yabancı maddeler gaz halinde fırını terk ettikleri gibi,

sıvı hale geçenler de cürufa karışırlar. Konvertisajın üretim metalurjisinde iki önemli tatbik

sahası vardır.

1- Pik demir içindeki Si, Mn, C ve P elementlerini azaltarak çelik üretimi

2- MAT bakır içerisindeki S, Fe ve az miktardaki Pb, Zn, Sb, Se elementlerini bünyeden

ayırarak Bilister (Ham) bakır elde etmektir.

37

Konvertisaj işleminin kendine has olan özelliği; verilen havanın oksijeni ile okside olan

yukarıdaki elementler egzotermik reaksiyonlar oluşturduklarından, işlemin ilerlemesi için

gerekli ısı fazlasıyla karşılanmakta ve ayrıca dışardan yakıt kullanmaya ihtiyaç yoktur.

Destilasyon : Metal veya metal bileşimlerinin buharlaştırılıp bu buharların daha sonra sıvı

veya katı olarak kondanse edilmesidir. Destilasyon metodu, buharlaşma sıcaklığı düşük olan

metal veya metal bileşimlerine uygulanır. Cıva, kadmiyum ve çinko bu metallerdendir.

Ateşle tasfiye (Arıtma) : Ergitme metotları ile elde edilen ve saf olmayan metalleri saf hale

getirmek için yüksek sıcaklıklarda ve havanın oksijeninden yararlanarak uygulanan bir

metottur. Ateşle tasfiye, metal sıvı halde iken, metalin içine veya açık yüzeyine hava vermek

suretiyle yapılır. Saf olmayan kurşun , kalay ve bakır ateşle tasfiye edilerek daha saf hale

getirilebilmekteler.

Kimyasal Prensipler

Tabiatta bulunan cevherler, zengin oldukları zaman doğrudan doğruya, fakir iken muhtelif

cevher zenginleştirme metotlarından en uygun olanı tatbik etmek suretiyle konsantre haline

getirildikten sonra çeşitli kimyasal reaksiyonlar sonucu saf metallere çevrilirler. Bu bakımdan

söz konusu kimyasal reaksiyonların önemli özelliklerini bilmekte fayda vardır.

Stokiometri : Kimyasal reaksiyonların ağırlık bakımından ilişkilerini kapsamaktadır.

Örneğin bakır sülfürün (kalkopirit : CuFeS2) ve demir sülfür (Prit : FeS2) minerallerinin

kavrulma veya oksitlenme reaksiyonlarını ele alalım.

2 CuFeS2 + 6 O2-----------------------------> Cu2O + Fe2O3 + 4 SO2 (1)

4 FeS2 + 11 O2-----------------------------> 2 Fe2O3 + 8 SO2 (2)

- Bir elementin atom-gram ağırlığı onun atom ağırlığı kadar grama eşittir. 1 atom gram

element içinde bulunan gerçek atom sayısı 6,02x1023 olup, bu sayıya avagadro sayısı

denir ve N harfi ile gösterilir.

38

- 1 gram hidrojen içerisinde 6,02x1023 adet gerçek hidrojen atomu vardır

- 27 gram alüminyum içerisinde 6,02x1023 adet gerçek alüminyum atomu vardır.

- Bunlara paralel olarak 44 gram karbondioksit (CO2) gazı içerisinde 6,02x1023 tane

CO2 molekülü, 32 gram oksijen gazı içerisinde 6,02x1023 adet gerçek oksijen (O2)

molekülü vardır.

- Bir bileşimin gram – mol ağırlığı da o bileşimin molekül ağırlığı kadar grama eşittir.

Böylece demirin gram atom ağırlığı 55, 89 gram, FeS2’ün gram-mol ağırlığı ise

119,98 gram (55,89+32,02x2) aynı şekilde başka ağırlık üniteleride

kullanılabilmektedir. Örneğin kilogram-atom veya ton-atom şeklinde

Bir çok hesaplamada elementlerin atom ağırlıkları yaklaşık rakamlar olarak alınmaktadır.

Örneğin Fe : 56 gr, S : 32 gr, şeklindedir.

1 nolu reaksiyonda 2 mol kalkopirit 6 mol oksijenle reaksiyona girerek 1 mol bakır oksit, 1

mol demir oksit ve 4 mol kükürt dioksit oluşturmaktadır.

2 nolu reaksiyonda 4 mol demir sülfür (Prit : FeS2)11 mol oksijenle reaksiyona girerek 2 mol

demir oksit (Fe2O3 : Hematit) ve 8 mol kükürt dioksit oluşturmaktadır. Burada hangi cins mol

kullanıldığı belirtilmemiştir. Fakat aksi belirtilmedikçe daima mol kilogram kullanılmaktadır.

Kimyasal reaksiyonlar, daima dengeli olmak zorundadır. Herhangi bir elementin eşit adetteki

atomları reaksiyonun her iki tarafında da eşit olmalıdırlar. Bazen bu öneli hususa dikkat

edilmez ve sonuçta yapılan hesaplamalar hatalı olmaktadır. Reaksiyona giren muhtelif

bileşimlerin ağırlıkları, onları meydana getiren atomların ağırlıklarından hesap edilmektedir.

Örnek problem : 1000 kg kalkopiriti (CuFeS2) 1 nolu reaksiyona göre kavuralım. Elde

edeceğimiz Cu2O, Fe2O3 ve SO2’in ağırlıklarıyla bu reaksiyon için gerekli oksijenin ağırlığını

hesaplayınız.

2 CuFeS2 + 6 O2-----------------------------> Cu2O + Fe2O3 + 4 SO2 (1)

Yaklaşık atom ağırlıklarından hareketle hesap edilen mol ağırlıkları şu şekildedir.

CuFeS2 = 184

Fe2O3 = 160

Cu2O = 144

SO2 = 64

39

1000 kg CuFeS2 = 1000/184 = 5,43 mol

2 mol CuFeS2’den 1 mol Cu2O elde edildiğine göre

1/2x 5,43 = 2,71 mol Cu2O

1 mol Cu2O ; 144 kg geldiğine göre

1/2x 5,43 x144 = 391 kg Cu2O

½ x 5,43 x 160 = 435 kg Fe2O3

4/2 x 5,43 x 64 = 696 kg SO2

6/2 x 5,43 x 32 = 522 kg O2

Kontrol için reaksiyonun her iki tarafındaki bileşimlerin ağırlıkları karşılaştırıldığında;

Solda 1000 Kg Kalkopirit (CuFeS2)

522 kg Oksijen (O2)

Toplam = 1522 Kg bulunur.

Eşitliğin sağ tarafında 391 kg Cu2O

435 kg Fe2O3

696 kg SO2

Toplam = 1522 Kg bulunur.

Denklemlerin Eklenmesi

Örneğin çinko oksit karbon tarafından iki kademede indirgenmektedir.

ZnO + CO ------------------> CO2 + Zn (4)

CO2 + C ------------------> 2 CO (5)

Bu iki denklemi birbirine ekleyerek aşağıdaki tek reaksiyon elde edilebilir.

ZnO + C ------------------> Zn + CO (6)

Uygulamada bu çeşit yollar çok kullanılmaktadır. İster 4 ve 5 nolu reaksiyonları veya ister

sadece 6 nolu reaksiyonu kullanabiliriz ve netice değişmez. Denklemleri birbirine eklerken

dikkatli olmalıyız.

40

Örnek Problem: Karbon oksijenle yakıldığında CO ve CO2 karışımı elde edilmektedir. Elde

edilen gazın kimyasal analizi yapıldığında ağırlık esasına göre % 80 CO ve % 20 CO2

ölçülmüştür. Bu durumu dikkate alarak 100 kg karbonu yakmak için kaç kg oksijene ihtiyaç

olduğunu hesaplayalım.

C + O2 ------------------> CO2 (7)

2 C + O2 ------------------> 2CO (8) Toplamı ;

3 C + 2O2------------------> % 44 CO2 + % 56 2 CO (9) elde edilir.

9 nolu denklem stokiometrik olarak doğru olmakla birlikte verilen şartlara uymamaktadır.

Çünki bu durumda reaksiyon ürünleri % 44 CO2 ve % 56 CO içermektedir. Halbuki CO ve

CO2 arasındaki orantı % 80 % 20 şeklinde olmalıdır. Şimdi tekrardan reaksiyon sonrası

karışım gazın % 20’nin CO2 ve kalanının CO olduğunu kabul ederek hesaplama yapalım.

C + O2 ------------------> CO2 (7) nolu denklemden

(20/44) x 12 = 5,5 kg Karbon (C)

(20/44) x 32 = 14,5 kg Oksijen (O2)

2 C + O2 ------------------> 2CO (8) nolu reaksiyondan

80/56x24 ------------------> 34,3 kg Karbon (C)

80/56x32 ------------------> 45,7 kg Oksijen (O2)

Böylece her iki reaksiyon için karbon miktarı 5,5 + 34,3 = 39,8 kg ve 14,5 + 45,7 = 60,2 kg

oksijen kullanılıyor.

100 kg karbon kullanıldığına göre 100/39,8 x 60,2 = 151 kg oksijen (O2) gerekmektedir.

Termokimya : Kimyasal denklemlerin tamamı, aynı zamanda reaksiyonun ısı bilançosunu

gösterir ve ne kadar ısı alındığını veya verildiğini ifade eder. Bir çok kimyasal reaksiyonun en

önemli yönünü böylece termokimya teşkil eder. Bu bakımdan ısı miktarını ölçmede

kullandığımız birimleri tanımakta fayda vardır.

Kalori : 1 gram suyun sıcaklığını 1 °C yükselten ısı miktarına kalori denir

Kilo Kalori : 1 kg suyun sıcaklığını 1 °C yükselten ısı miktarına kilo kalori denir

41

C + O2 ------------> CO2 + ısı

Yukarıdaki reaksiyonda basınç ve sıcaklık sabit olsa da reaksiyon sonucu bir ısı açığa

çıkmaktadır. Meydana gelen reaksiyon bir sistemden diğer bir sisteme geçişi ifade eder.

Reaksiyon 20 °C’de katı karbon ve gaz haldeki oksijen ile başlamakta ve neticede 20 °C’de

gaz haldeki CO2 ile sonuçlanmaktadır. 20 °C’de C + O2 sisteminde oksijen molekülleri ve

karbon atomlarının vibrasyon hareketlerinden doğan ve depo edilmiş bir ısı enerjisi vardır.

Aynı şekilde 20 °C’de CO2 sisteminde de CO2 moleküllerinin doğurduğu ve depo edilmiş bir

ısı enerjisi vardır. CO2’in ısı enerjisi, C + O2 sisteminin ısı enerjisinden daha azdır. Böylece

bir sistemden diğer bir sisteme geçiş (dönüşüm) olduğu zaman enerji içerikleri arasındaki fark

kendini ısı olarak gösterir ve bu ısı etrafa dağılmış olur. Bu ısıya Reaksiyon ısısı denir ve ΔH

ile gösterilir. 1 atom gram ağırlıktaki karbon (12 gram) ve 1 mol gram ağırlığındaki oksijen

(32 gram) ile reaksiyon yapıp, 1 mol gram ağırlıkta (44 gram) CO2 açığa çıktığı zaman

absorbe edilen ısıya reaksiyon ısısı denir. Bu reaksiyonda dışarıya ısı verildiği için ΔH = -

(negatif değerdedir). Böylece yukarıdaki denklemi şu şekilde yazabiliriz.

C + O2 ------------> CO2 + ΔH = -97200 Cal.

Aynı şekilde aşağıdaki reaksiyonlarda yazılabilir

2 C + 2 O2 ------------> CO2 ΔH = -194400 Cal.

2 C + O2 ------------> 2 CO ΔH = -58320 Cal.

C + ½ O2 ------------> CO ΔH = -29160 Cal.

Cu2S + O2 ------------> 2 Cu + SO2 ΔH = -51980 Cal

2 Cu + SO2 ------------> Cu2S + O2 ΔH = + 51980 Cal

ΔH = - olduğu zaman, sistem dışarıya ısı vermektedir ve reaksiyon egzotermiktir.

ΔH = + olduğu zaman, sistem dışardan ısı almaktadır ve reaksiyon endotermiktir.

42

Gaz Kanunları

Avagadro Kanunu : Aynı sıcaklık ve basınçta muhtelif gazların eşit hacimlerinde aynı

sayıda molekül vardır. Yine normal şartlar altında (0 °C ve 1 atmosfer basınç altında) bütün

gazların 1 formül gramı 22,4 litre (0,0224 m3) hacme sahiptir. Normal koşullar altında bazı

gazların 22,4 litresinin ağırlıkları şu şekildedir.

CO2 : 44 gram

SO2 : 64

Cl2 : 71

O2 : 32

H2 : 2

He : 4

Hava : 28,96 gram

Bir kimyasal reaksiyonda, denklemin heriki tarafındaki ağırlıkların birbirlerine eşit olmaları

gerekirken, hacimleri eşit olmayabilir. Gazlar kendi aralarında reaksiyon yaptıkları zaman,

toplam hacim azalır, çoğalır veya eşit kalabilir. Verilen muhtelif şartlar altındaki gazların

hacimleri standart şartlara çevrilerek mukayeseler yapılabilir. Standart şartlar altında 1 mol kg.

gaz hacmi 22,4 m3 kadardır.

Örnek problem : Bir bakır konvertöründe 8000 Kg Cu2S bulunmaktadır. Cu2S’ ü okside

etmek için konvertöre hava üflenmektedir.

Cu2S + O2 ---------------> 2 Cu + SO2 reaksiyonuna göre gerekli hava miktarını bulunuz.

32 kg kükürt (S) için 22, 4 m3 oksijen gerekmektedir. Yada 1 kg kükürt (S) için 22,4/32 m3

oksijen gerekmektedir.

Konvertördeki kükürt miktarı 32/160x 8000 = 1600 kg

Havada hacimce % 21 oksijen bulunduğuna göre 1120/0,21 = 5330 m3 hava gerekmektedir.

22,4 1600 x = 1120 m3 okjsijen gerekmektedir. 32

32 x 8000 = 1600 kg 2(64)+32

43

Teşekkül Isısı

Reaksiyon ısısını hesap edebilmek için, bahis konusu olan bileşimlerin teşekkül ısılarının

bilinmesi gerekmektedir.

Teşekkül ısısı: bir mol-gram ağırlıkta bir bileşimin kendi elementlerinden meydana

gelebilmesi için absorbe edilen kalori miktarıdır.

Bileşim teşekkül ettiğinde dışarıya ısı veriyorsa, teşekkül ısısı negatif, ve bileşim

ekzotermiktir. Buna karşılık, dışardan ısı alınıyorsa teşekkül ısısı pozitif ve bileşim

endotermiktir.

Reaksiyon ısısı : aşağıda verilen reaksiyonda reaksiyon ısınsı bulmak için teşekkül ısısından

ne şekilde faydalanıldığına bakalım.

C + O2 ----------------------> CO2 + ΔH = - 97200 cal.

Bu denklemde, reaksiyon ısısı aynı zamanda CO2’in reaksiyon ısını oluşturmaktadır. Bu

reaksiyonda 12 gram karbon 32 gram oksijenle yakılarak 44 gram CO2 elde edilmektedir.

Aynı zamanda dışarıya 97200 cal. ısı verilmektedir. Şimdi aşağıda verilen reaksiyonu

inceleyelim.

4 FeS + 7 O2 -------------------> 2 Fe2O3 + 4 SO2

Bu reaksiyon sonucu 2 mol Fe2O3 ve 4 mol SO2 elde edilmektedir.

Her bileşimin teşekkül ısılarına baktığımızda

Fe2O3 = - 191600 cal = 2x (-191600 cal) = - 393200 cal.

SO2 = - 70904 cal = 4 x (-70904 cal) = - 283760 cal.

FeS = 23050 cal = 4x (23050 cal) = 92200 cal

Bu durumda reaksiyon ısısı (oksijenin teşekkül ısısı sıfır olduğuna göre)

2 Fe2O3 4 SO2 4 FeS

ΔH =( (-383200 cal) + (-283760 cal)) –(92200 cal)

ΔH = - 574760 cal olur.

Burada 4 mol gram FeS’ün oksitlenmesi ile 574760 cal. ısı açığa çıkmaktadır.

44

Böylece soldan sağa doğru ilerlerken bir kimyasal reaksiyonun ΔH = Reaksiyon ısısı kaide

olarak; kimyasal denklemin sağındaki bileşimlerin teşekkül ısılarından, soldaki bileşimlerin

teşekkül ısılarının çıkarılmasıyla elde edilir.

Örneğin asetilenin (C2H2) yakılmasında ;

2 C2H2 + 5 O2 -------------------> 4 CO2 +2 H2O + ΔH = - 613160 cal ısı açığa çıkmaktadır.

Endotermik bir reaksiyon ısısına da kalsiyum karbonatın kalsinasyon ile parçalanma

reaksiyonunu verebiliriz.

CaCO3 -------------------> CaO + CO2 + ΔH = 37100 cal

Yanma

Yakıtın yanmasıyla oluşan reaksiyona yanma denir. Yanma reaksiyonları pirometaluri

uygulamalarında büyük önem taşımaktadır. Oksitlenmesi sonucu ısı veren her medde bir yakıt

olarak kabul edilebilir. En çok kullanılan yakıtlar, maden kömürü, kok kömürü, akaryakıtlar,

gaz yakıtlar, odun kömürü ve odundur. Bazı metalurjik işlemlerde yakıt gibi ısı veren başka

maddelerde vardır. Bunlardan silisyum, manganez ve metal sülfürler önemlidir. Yakıtlar

içerisinde yanan maddeler, karbon hidrojen ve muhtelif hidro – karbon bileşimleridir. Yanma

sonucu elde edilen ürünler ise, CO2 ve H2O dur. Maden kömürü, kok ve diğer katı yakıtların

kompozisyonunda daima az veya çok miktarda kül vardır. Yanma ile ilgili problemler şu

şekilde sıralanabilir.

1. Bir ünite kömürü yakmak için gerekli teorik hava miktarı

2. Kullanılan fazla hava miktar

3. Yanma sonucu elde edilen ürünler

4. Yakıtın kalorifik gücü

a. Tecrübe sonucu elde edilen

b. Hesap yoluyla belirlenen

45

Örnek problem

Bir metalurjik fırında aşağıda kompozisyonu verilen kömür yakılmaktadır.

Element C H2 N2 O2 S Kül % miktar 72,2 5,0 1,7 7,8 0,8 12,5

Yanan kömürden arta kalan cürufun içinde % 25 karbon bulunmaktadır.

Teorik hesaplamalara göre % 50 daha fazla hava tüketilmektedir.

Kül cürufun % 75’i kadardır.

İstenenler

a. 1 kg kömürü yakmak için gerekli teorik hava miktarını

b. Verilen şartlarda gerekli gerçek hava miktarını bulunuz.

Problemin çözümü

Meydana gelen reaksiyonlar

C + O2 -----------------> CO2 (1)

2 H2 + O2 --------------> 2 H2O (2)

S + O2 ------------------> SO2 (3)

Kül, cüruf ağırlığının % 75’ni teşkil ettiğine göre cürufun ağırlığı 0,125/0,75 = 0,167 kg

0,167 x 0,25 = 0,042 kg yanmayan karbon

0,722 – 0,042 = 0,680 kg yanan karbon

680/12 x 0,0224 = 1,269 m3 O2 karbonu yakmak için

50/4 x 0,0224 = 0,280 m3 O2 Hidrojeni yakmak için

8/32 x 0,0224 = 0,006 m3 O2 Kükürdü yakmak için

Toplam oksijen = 1,269 + 0,280 + 0,006 = 1,555 m3

Kömürden gelen oksijen: 78 / 32 x 0,0224 = 0,055 m3

Lüzumlu oksijen : 1,555 – 0,055 = 1,500 m3

46

Standart şartlardaki teorik hava : 1,500 / 0,21 = 7,143 m3

Standart şartlardaki % 50 fazla hava 7,143 x1,5 = 10,715 m3

Kalorifik Güç (Isı gücü)

Bir ünite (ağırlık veya hacim olarak) yakıt tamamen yakıldığında vermiş olduğu ısı miktarına,

o yakıtın kalorifik gücü denir. Katı ve sıvı yakıtlarda kilogram yakıt başına kalori olarak gaz

yakıtlarda ise metreküp başına kalori olarak ifade edilir. Elementlerin veya bileşimlerinin

kalorifik güçleri yanma reaksiyonu sonucu elde edilen ısılar bilinmekle hesap edilebilir.

Örnekler

C + O2 ------------> CO2 ΔH = -97200 Cal.

97200 / 12 = 8100 cal/gr = (8100 kcal/kg) Karbon için bulunan ısı gücü

2 C2H2 + 5 O2------------> 4 CO2 + 2 H2O ΔH = - 613160 cal

C2H2 asetilen yani 0,0224 m3’ ün vermiş olduğu ısı miktarı 306580 cal ısı vermekte

O halde 1 m3 asetilenin verdiği ısı miktarı 13686,6 kcal/m3 olarak bulunur bu değer

Asetilenin kalorifik gücünü ifade eder.

Örnek Problem

100 gramlık bir bakır cevherinin % 30 Kalkopirit (CuFeS2), % 20 Pirit (FeS2) ve % 50’ si

Kuvars (SiO2) minerallerinden oluştuğuna göre bu cevherdeki toplam demir, bakır ve kükürt

miktarlarını hesaplayınız.

CuFeS2 : 183,5 gr

FeS2 : 120 gr

SiO2 : 60 gr

Kalkoprit miktarı toplam cevherin % 30 olduğuna göre cevher içerisinde 30 gr kalkoprit

bulunmaktadır.

Kalkopritteki

Bakır miktarı Cu /CuFeS2 x30 = 63,5/183,5x30 = 10,39 gr

Demir miktar Fe / CuFeS2 x30 = (56/183,5) x 30 = 9,16 gr

47

Kükürt miktar S2/ CuFeS2 x30 = (64/183,5) x 30 = 10,46 gr

Pritteki (FeS2) kükürt miktarı S2/FeS2x20= (64/120) x 20 = 10,67 gr

Pritteki (FeS2) demir miktar Fe/FeS2x20 = (56/120) x 20 = 9,23 gr

Toplam Fe = 9,16+9,23= 18,39 gr

Toplam S = 10,46+10,67 = 21,13 gr

Toplam Cu = 10,33 gr

Alev Sıcaklığı

Yakıtların alev sıcaklıkları yakıt yakıldığı zaman elde edilen alev sıcaklığı olarak ifade edilir.

Sıcak cisimlerin ve alevlerin sıcaklıklarını ölçmek için termometre ve pirometre aletleri

kullanılır. Bunlardan birincisi sıcak ortam veya cisim ile temas halinde olan aletlerdir ve bu

aletlere termokapılları (ısıölçer) örnek verebiliriz. İkinci cins pirometreler sıcak ortam veya

cisim ile temas halinde olmayan pirometrelerdir ve bu aletlere radyasyon ve optik

pirometreleri örnek verebiliriz.

Gizli Isı

Bir maddenin gizli ısısı, madde normal sıcaklığa soğutulana kadar dışarıya vermiş olduğu ısı

miktarıdır. Örneğin ; 1500 °C’deki sıvı haldeki 1 ton bakırın gizli ısısı

1. Metalin 1500 °C’den 1083 °C’ye yani katılaşmanın başlangıcına kadar vermiş olduğu ısı

2. Metalin 1083 °C’de sıvı halden katı hale geçinceye kadar vermiş olduğu ısı.

3. 1083 °C’deki katı haldeki bakır kütlenin oda sıcaklığına soğuyuncaya kadar vermiş olduğu

ısıyı ihtiva etmektedir.

Metalurjik Yakıtlar

Oksitlenmesi sonucu endüstriyel işlemler için gerekli ısıyı verebilen ve havanın oksijeni ile

hızla yanabilen her çeşit malzemeye yakıt denir. Yanma deyimi daha çok yakıtlar için

kullanılmaktadır.

48

Tam yanmama deyimi : Yakıtın tamamının yanmaması (Örneğin yakıt yandıktan sonra arta

kalan cürufta bir miktar karbon kalması) anlaşılır.

Yetersiz yanma: Karbonun tamamının (CO2) yapmayıp, bir kısmının (CO) yapması anlaşılır.

Yakıtın ateş alma sıcaklığı : Yakıtın yanmaya başladığı sıcaklık anlaşılır. Ateş alma sıcaklığı

sabit bir değer olmayıp, yakıtın fiziksel yapısı ve atmosfere basıncına bağlı olarak

değişmektedir.

Kül : Katı yakıtın kompozisyonunda olup, onun yanmayan kısmını teşkil eder.

Cüruf : Yakıt yakıldıktan sonra geride kalan katı kitledir. Cüruf ağırlığı, yakıtın kül

ağırlığından fazla olduğu zaman aradaki fark yanmayan karbondan ileri gelmektedir.

Metalurjik işlemlerde bize ısı veren elementler önem sırasına göre şu şekilde

sıralanmaktadırlar, C, H, S, Si, Mn, Al ve P. Metalin kendiside bazen yakıt olarak iş

görmektedir. Bessemer metodunda manganın okside olması ısı elde edilmesi. Karbon ve

hidrojen ısı veren en önemli elementler olup, gaz, kömür, kok, ve akaryakıtların esasını teşkil

ederler.

YAKITLARIN SINIFLANDIRILMASI

I. Katı Yakıtlar

A. Tabii

a) Odun

b) Linyit kömürü

c) Taş kömür

d) Antrasit

B. Suni

a) Pulverize kömür

b) Biriket kömürü

c) Karbonize yakıtlar

1. Odun kömürü

2. Kok kömürü

49

II. Sıvı Yakıtlar

A. Tabii

a) Ham petrol

B. Suni

a) Destilasyon ürünleri (benzin, motorin fuel-oil)

b) Kömür katranı

c) Artık yağları

III. Gaz Yakıtlar

A. Tabii

a) Doğal gaz

B. Suni

a) Kok gazları

b) Yüksek fırın gazı

Odun : Metalurjik yakıt olarak odunun önemi çok azdır. Yeni kesilmiş yaş odunda %40-50

rutubet vardır. Havada kurumuş odunda %15-25 arası rutubet vardır. Kuru odun yandığı

zaman 2700-3800 kcal/kg ısı vermektedir. Odunun elyafı genellikle selülozdan (C6H10O5)

meydana gelip ayrıca şeker, zamk, yağ vs. İhtiva etmektedir.

Odun Kömürü : Odunun destilasyonu sonucu elde edilmektedir. Odun kömüründe çok az

kül ve hiç kükürt olmadığı için bazı özel işlerde tercihli olarak kullanılmaktadır. Potada

ergitme yapıldığında, erimiş metali havanın oksitlemesinden korumada indirgeyici örtü

maddesi olarak kullanılır. Odun kömürü 6100 kcal/Kg kalorifik güce sahiptir.

Kömürün Kimyasal Analizi : Belli standartlara göre yapılan analizlerde kömürün

kompozisyonu şu şekilde tayin edilmiştir

a) Sabit karbon

b) Rutubet

c) Uçucu maddeler

d) Kül

50

Rutubet : Küçük bir kömür numunenin 104-110 °C sıcaklıklarda 1-5 saat ısıtılması sonucu

elde edilen ağırlıklar arası farktır.

Uçucu maddeler : Kapalı bir potada 1 gr kömür numunesinin 950 C sıcaklıkta 7 dakika

süreyle ısıtılması sonucu meydana gelen ağırlık farkı, (rutubet + uçucu maddeler) yüzdelerine

eşittir.

Kül : Kömür numunesinin yanabilen elementlerinin tamamı yanacak şekilde kuvvetli bir

yanma sonucu geride bıraktığı maddedir.

Sabit Karbon Yüzdesi : 100-( % Kül + Uçucu madde + % Rutubet)

Linyit : Linyit en çok rastlanan maden kömürü cinsinden olup, bitümlü kömürlere nazaran

düşük kalitelidir. Ocaktan çıkarıldığı zaman % 30-40 rutubet ihtiva eder. Metalurjik yakıt

olarak önem taşımamakla birlikte suni gaz (jeneratör gazı) üretilmesinde kullanılabilmektedir.

Dünyada üretilen katı yakıtların yaklaşık yarısını linyit oluşturmaktadır. Bu bakımdan büyük

önem taşımaktadır. Linyit kömürlerinde sabit karbonun uçucu maddelere oranı yaklaşık 3/1

kadardır.

Taş Kömürü : Bu tür maden kömürleri en önemli metalurjik katı yakıtları teşkil ederler.

Bunlar tabi halleriyle kullanılmayıp genellikle kok, jeneratör gazı, pülverize kömür üretiminin

ham maddesini teşkil ederler. Bitümlü kömürlerin büyük kısmı metalurjik kok üretiminde

kullanılmaktadır.

Antrasit : Antrasit ve yarı antrasit kömürler sert ve ağır kömürlerdir. Antrasit kısa ve mavi

alevle yanmaktadır. Bu yakıt daha çok evlerde kullanılmakta ve metalurjik yakıt olarak önemi

yoktur. Antrasit kömürü kok üretimine elverişli değildir.

51

Metalurjik Kok: Demir ve demir dışı metallerin üretiminde kullanılan yüksek fırınlarda

tüketilen yegâne yakıt metalurjik kok kömürüdür. Kok kömürü taş kömüründen destilasyon

işlemi sonucu elde edilmektedir.

Kok kömürü kok fırınlarında dıştan indirekt olarak ısıtılmak suretiyle kok kömürü elde

edilmektedir. Kok kömürü üretiminde koktan ayrı bütün destilasyon ürünleri ( kok gazı,

katran, naftalin, hafif yağlar ve amonyum sülfat gibi) yan ürünler elde edilmektedir. Kömür

gazlarında CO, CO2, H2O, H2, N2, H2S, S ve NH3 bulunup, bu gazlar kimya sanayiinin

önemli bir hammadde kaynağını teşkil etmektedir. Kok fırınlarının sıcaklığı 800-1000 ○C olup,

koklaştırma süresi yaklaşık 18-20 saat kadardır. Bugün Karabük (kardemir) tesislerinde

kullanılan iki kok fabrikasının sırayla kok üretim kapasiteleri 375.000 - 533 000 ton /Yıl

kadardır. Ayrıca 180 ton/saat kapasiteli kok kırma eleme tesisi, fırınlardan çıkan koku kırma

ve eleme işlemleriyle yüksek fırınlar için istenen boyuta getirip piyasaya sunulacak olan

döküm koku, metalurjik kok, ceviz kok ve kok tozunu hazırlar.

Yüksek fırında kullanılan kok kömürünün yoğun ve basınca dayanıklı olmalıdır. Bu nedenle

kok, taşıma ve fırına yükleme sırasında kırılmaması için, tercihen demir çelik entegre tesisi

tarafından üretilir. Yüksek fırında tüketilen kokun parçacık büyüklüğü yaklaşık 70-120 mm

civarında olmaktadır. Önceleri yüksek fırında 1 ton ham demir üretimi için gerekli kok

miktarı 1 ton kadardı. Ancak son yıllarda cevher hazırlama usullerindeki ilerlemeler sayesinde

1 ton ham demir üretimi için kok tüketimi 650 Kg’a kadar düşmüştür.

Yüksek fırında kok kömürü;

1- Yanarak fırın içinde gerekli olan ısıyı verir,

2- Kısmi yanma sonucu fırındaki demir oksit minerallerini indirgemek üzere gerekli olan CO

gazını sağlar

3- Yüksek fırından üretilen ham demir içerisindeki bulunan yaklaşık % 4 karbonun

kaynağını oluşturmaktadır.

52

1 Ton taş kömürü koklaştırıldığı zaman, ortalama olarak

- 635 kg kok kömürü, 31 m3 kok gazı (4900 kcal/m3 güçte), 11 kg (NH4)2SO4

- 38 kg katran, 11 lt yağ elde edilmektedir.

İdeal bir metalurjik kok kömürünün kimyasal kompozisyonu.

Uçucu Madde : % 0,60 Max

Sabit Karbon : % 88 Min

Kükürt : % 0,45 Max

Kül : % 10 Max

Gözenek : % 50-55

Rutubet : % 3 Max

Kırma mukavemeti : 180 kg./cm2 (min)

Pulverize Kömür: Adından da anlaşılacağı üzere, maden kömürünün pudra inceliğinde

öğütülmesiyle elde edilen kömüre pülverize kömür denmektedir. Yakılmak istendiğinde

basınçlı hava ile fırının cehennemliğine püskürtülmekte ve orada gaz özelliğinde

yanabilmektedir. Pülverize kömür esas olarak iki maksat için kullanılmaktadır.

1. İri kömüre nazaran daha mükemmel ve tam olarak yanmaktadır.

2. Kömür ocaklarından çıkan kömürün inceleri ve düşük kalite kömürler bu şekilde

değerlendirilmektedir.

Pülverize kömür, homojen bir incelikte öğütülmüş olmalı ve yakıldığı zaman hava ile tam

olarak karışması sağlanmalıdır. Pülverize kömür 48 saatten fazla stok edilmemelidir. Aksi

takdirde yanma başlamaktadır. Ayrıca öğütmede kullanılan teçhizatın kıvılcım yapmayacak

malzemeden yapılması lazımdır.

Pülverize kömürün avantajları ve dezavantajları

Avantajları

1. Uzun alevle yanmaktadır.

2. Yüksek yanma randımanına sahiptir

53

3. Düşük kalitedeki ve toz haldeki kömür tozlar değerlendirilmektedir.

Dezavantajları

1. Hava ve pülverize kömür tozu karışımı patlayıcıdır.

2. Uzun müddet depolanamaz.

3. Genellikle kül yüzdesi fazladır bu nedenle şarjın üzerini izole edebilir.

Briket kömürü : Toz haldeki herhangi bir kömür uygun bir bağlayıcı ile karıştırılarak

preslenmesiyle briket kömür elde edilmektedir. Bağlayıcı, kömür taneciklerini dağılmayacak

şekilde sıkı olarak tutmaktadır. Genellikle kömürün kalorifik (ısı) gücüne katkıda bulunacak

organik maddeler kullanılmaktadır. Katran en yaygın kullanılan bağlayıcıdır.

Akaryakıtlar: Petrol, en önemli metalurjik yakıtlardandır. Çünkü kalorifik gücü katı

yakıtların hepsinden daha fazladır. Aynı zamanda çok az veya hiç külü yoktur. Ham petrol

yakıt olarak kullanılabilmektedir. Ham petrol rafine edilerek kimya sanayiinde kullanılan pek

çok hammadde elde edilir. Ham petrolün rafinasyonu sonucu hafif maddeler (benzin, motorin)

ve ağır maddeler (yağlama yağları, gresler) ve ara ürün olarak da fuel oil elde edilir.

Akaryakıtlar basınçlı hava ile pülverize edilerek fırının yanma bölümlerine verilir. Akar

yakıtlar yaklaşık olarak 10,000 kcal/kg kalorifik güce sahiptirler.

Gaz Yakıtlar

Gaz yakıtlar taşınma kolaylığı ve yanmadaki yüksek randımanından dolayı ideal yakıtlardır.

Bileşimlerinde kül yoktur.

Doğal Gaz : En iyi gaz yakıt olup, gaz yakıtlar içinde en yüksek kalorifik güce sahiptirler

(6,200-10,700 kcal /m3 ). Genel olarak metan (CH4), etan (C2H6) ve az miktarda H2, CO, CO2,

N2, ve H2O ihtiva etmektedir. A.B.D’ lerinin Ohio eyaletinde çıkarılan doğal gazın kimyasal

analiz sonuçları % olarak şu şekildedir

54

H2 : 1,89; CH4 : 92.84, CO : 0.2, C2H6 : 0.35, N2 : 3.82, CO2 : 0.75

Kok Üretme Gazı : Kalorifik güç bakımından doğal gazdan sonra gelen önemli bir gazdır.

Kompozisyonunda yaklaşık % 40 metan (CH4) ve % 50 hidrojen vardır.

Jeneratör Gazı : kömür yetersiz hava ile yakılarak veya karbonun su buharını parçalaması ile

elde edilmektedir.

2C + O2 ---------------> 2 CO elde edilir

Karbon su buharını parçaladığı zaman

C + H2O -----------------> CO + H2

Yüksek Fırın Gazı : Pik demir üretiminde yüksek fırından elde edilen gazlarda yüksek

miktarda CO gazı bulunduğu için, bir çeşit gaz yakıt olarak kullanılmaktadır. Yüksek fırın

gazının kalorifik gücü hemen hemen hava gazınınkine eşittir.

Kükürt : Normal şartlar altında kükürt hiç bir zaman yakıt olarak kullanılmaz. Ancak sülfür

cevherlerini kavurma ve ergitmede mineralin bileşimindeki kükürt okside olarak (SO2) ve

bazen de sülfat (SO3) yapması egzotermik reaksiyonlardır ve ortama ısı verirler. Böylece şarj

edilen malzemedeki kükürt bir çeşit yakıt olarak reaksiyona girmektedir.

Yakıtların Seçilmesi

Metalurjik uygulamalar için yakıt seçilirken şu faktörler göz önünde tutulur.

Fiyat : Yakıt seçiminde en önemli faktör yakıtın fiyatıdır. Uygulama için kullanılabilecek

birden fazla yakıt mevcut ise fiyatı en uygun olan tercih edilmelidir.

Temini : Özellikle demir çelik üretiminde metalurjik kok kömürü kullanılmakta ve genellikle

demir çelik tesisleri bu kömür yataklarına yakın yerlere kurulmaktadır.

55

Yakıtın Bahis Konusu İşleme Uygunluğu : Örneğin yüksek fırınlarda yakıt olarak kok

kullanılmaktadır. Oysa reverber fırınlarında uzun alevli pülverize kömür, akar yakıt veya gaz

yakıtlar kullanılmaktadır.

Yakıtın Temizliği : Yakıt imkan nispetinde kül, kükürt ve fosfor ihtiva etmemelidir. Yakıtta

kül bulunması, yakıtın içindeki yanıcı element ve bileşimlerin yüzdelerini azaltacağı için

sonuç olarak onun kalorifik gücünü düşürmektedir. Bir çok hallerde yakıt külü, fırın şarjının

bir kısmını teşkil ettiği için ergitilen cevher veya konsantre içindeki gang mineraller gibi kül

elementlerine gerekli katık maddesinin de dikkate alınması gerekir. Kok içindeki kükürt ve

fosfor, demir cevherinin ergitilmesinde zararlı elementler olarak tanımlanır.

REFRAKTERLER

Yüksek sıcaklıklara, korozif eriyiklere, içinde toz bulunan fırın gazlarının akışına dayanıklı

her çeşit fırın yapmaya elverişli malzemeye ‘’refrakter malzeme’’ denir. Kavurma, ergitme

ve ısıl işlemlerde kullanılan fırınların özellikle iç kısımları uygun refrakter malzemelerle

kaplanmıştır.

Refrakter malzemeler genel olarak iki temel maksat için kullanılır

1- Isıl izolasyon

2- Isıl iletkenlik

Genellikle fırın içerisindeki ısının dışarıya gitmemesi istendiğinde bunu sağlamak için

fırınların iç kısımlarında ısıl izolasyon özelliği yüksek olan refrakter malzemeler kullanılır.

Bazı ergitme ve tasfiye işlemlerinin yapıldığı fırınlarda ise (çinkonun pirometalurjik

metotlarla üretilmesi veya tasfiyesi gibi) ısıl iletkenliği yüksek olan refrakterler

kullanılmaktadır. Aynı şekilde indirekt ısıtmanın yapıldığı metal ve metal alaşımlarının

ergitildiği grafit potalar ısıl iletkenliği yüksek refrakterlere örnek gösterilebilir

56

Endüstride kullanılan belli başlı refrakter malzemeler

1- xAl2O3 . ySiO2 2- Al2O3 3- SiO2 4- CaO 5- MgO 6- 2MgO.SiO2 (Fosterit) 7- Fe2O3 veya Fe3O4 8- FeO . Cr2O3 9- Silisyum karbür veya diğer karbürler Refrakterlerin ergime dereceleri

Silis : 1724 °C Kaolin : 1740 °C Boksit tuğla : 1600 –1820 °C Magnezit tuğla : 2165 °C Karbon : 3600 °C

Refrakterler ergime derecelerinin altındaki bir sıcaklıkta yumuşarlar. Bu bakımdan refrakter

malzemelerin refrakterdik dereceleri tayin edilirken yumuşama sıcaklıkları dikkate alınır.

Refrakterlerin Sınıflandırılması

Refrakterler kimyasal yapılarına göre şu şekilde sınıflandırılır.

I. Asit yapılı refrakterler

A - Alümina – Silikat malzemeler

B – Silisli Refrakterler (bu refrakterlerin genel yapısını kuvars teşkil eder).

II. Bazik Refrakterler

A – Alümina Refrakterler. Bu refrakterlerin iki farklı çeşidi vardır.

a. Boksit veya boksit tuğla

b. Alundum (elektrik fırınında eritilen boksit)

B – Kalsiyum ve magnezyum oksitler. Bu refrakter malzemenin çeşitleri

a. Magnezit (MgCO3), kalsine edilerek elde edilen periklas (MgO)

b. Kalker (CaCO3), kalsine edilerek elde edilen (CaO)

c. Kalsiyum ve magnezyum karbonat bileşimi olan dolomit (Mg.Ca (CO3)2)

57

III. Nötr Refrakterler

a – Karbon Çeşitleri (Grafit, Odun Kömürü, Kok)

b – Kromit (krom cevheri)

c – Suni olarak yapılan refrakterler (Zirkon karbür, Silisyum karbür, Titanyum karbür)

d – Metaller (Fe, Cu, Mo, Ni, Pt, Os, Ta, Th, Ti, W, V ve Zr’dur).

e – Refrakter olarak nitelendirilen diğer malzemeler (Fosterit, Beton, Talk, Serpantin)

Refrakterlerin Özellikleri

Refrakter malzemenin iyi veya kötü olarak değerlendirmesi ancak gerekli olan özelliğine

bakılarak karar verilir. Diğer özellikleri ikinci derecede önem arz etmektedir. Örneğin ısıya

dayanıklılığı düşük olan bir malzemenin diğer özellikleri çok iyi olabilir. Bu bakımdan

refrakter malzemenin bazı kimyasal ve fiziksel özelliklerinin belirlenip bu özelliklerine

bakılarak en uygun kullanım yerinin belirlenmesi gerekir. Bir refrakter malzemenin kullanım

yerini belirlemede öneli olan faktörler şunlardır.

Fiat : Kullanılacak refrakter malzemenin fiyatı mümkün mertebe düşük olmalıdır. Kullanılan

refrakter malzemenin uzun ömürlü olması bu malzemeyi hem ucuz kılacak hem de tamir

bakım masraflarını azaltacaktır.

Yumuşama Sıcaklığı : Refrakter malzemenin yumuşa sıcaklığı ne kadar yüksek olursa

refrakterlik özelliği de o derece yüksek kabul edilir. Refrakter malzemenin en önemli

özelliğidir.

Mukavemeti : Refrakter malzemenin mukavemetinin yüksek ve fırın gazları tarafından

sürüklenen tozların sürtünmesine karşı dayanıklı olması gerekir. Önemli olan refrakter

malzemenin oda sıcaklığındaki mukavemetinden ziyade çalışma sıcaklığı ve şartlarındaki

mukavemetidir. Nitekim oda sıcaklığında 300 – 400 kg/cm2 mukavemete sahip refrakter

tuğlalar yüksek sıcaklıklarda ancak 1.5 , 3 kg / cm2 mukavemete sahiptirler.

58

Kimyasal kompozisyonu : Metalurjik maksatlarla kullanılan refrakterler asidik bazik veya

nötr olabilir. Refrakter malzemenin cüruf ve eriyikten en az etkilenmesi ve bunlara karşı

mukavim olması istenir.

Gözenek ve Yoğunluk : Refrakter malzemelerin gözenek miktarları azaldıkça cüruf ve fırın

gazları içindeki tozlara dayanıklılığı o derece artmaktadır. Refrakter malzemelerdeki gözenek

miktarını azaltmak ve yoğunluğunu artırmak için şekillendirme aşamasında refrakter

malzemenin daha yüksek basınçlarda preslenmesi gerekir. Gözenek miktarı az yoğunluğu

fazla olan refrakter tuğlalar tercih edilmektedir.

Isıl İletkenlik : İçinde yakıt yakılan refrakter bir fırın duvarının minimum ısıl iletkenliğe

sahip olması istenir. Böylece ısı kayıpları minimum olur. Buna karşılık pota tipi fırınlarda

dışardan verilen ısının içeriye geçebilmesi için potanın ısıl iletkenliğinin çok iyi olması arzu

edilir.

Elektrik İletkenliği : Refrakter malzeme, elektrik fırınlarında kullanıldığı zaman, elektrik

iletkenliği önem kazanmaktadır. Belli başlı refrakterler arasında grafit ve metaller iyi elektrik

iletkenliğine sahiptirler. Diğer refrakter malzeme çeşitleri genellikle izolatör olarak

kullanılmaktadır. Grafit çok iyi bir refrakter malzeme olarak yüksek sıcaklıklarda çalıştırılan

elektrik fırınlarında elektrot ve fırın astarı olarak kullanılmaktadır.

Isıl Genleşme : Refrakter malzemeler ısıtıldığında genellikle uzama gösterirler. Bu nedenle

her refrakter için sıcaklık karşısındaki uzama yani genleşme değerleri tespit edilmiştir.

Refrakter malzemelerin sıcaklık karşısındaki genleşmelerinin minimum olması arzu edilir.

Çünkü fırın ısıtılırken tuğlalar genişlerler. Fırın örülürken yeterince genleşme payının

bırakılması gerekir. Aksi takdirde tuğlalar genişleyemezler ve çatlayarak kırılırlar. Fırın

sürekli olarak ısıtmaya ve soğutmaya maruz kalırsa meydana gelen ısıl şoklardan dolayı

59

çatlamalar ve kırılmalar meydana gelir. Fırınların ısıtma ve soğutma işlemleri imkan

nispetinde yavaş yapılmalıdır. Refrakter tuğlalardaki kırılmaların diğer bir sebebi ise tuğla

kullanıldıktan sonra cüruf, metal veya diğer yabancı maddelerden dolayı orijinal özelliğini

kaybetmesidir.

Refrakter Çeşitleri

Silika refrakterler : Silika refrakterlerin yapılmasında kullanılan ham madde kuvars olup,

tamamen (SiO2) den ibarettir. Silika tuğlalar öğütülmüş rutubetli kuarsın % 2 oranında saf

kalsiyum oksit ile karıştırılıp preste şekil verilmesiyle imal edilmektedir.

Alümina-Silika Refrakterler : Bu çeşit refrakter tuğlalara ateş tuğlası veya şamot tuğlası da

denmektedir. Refrakter malzeme kompozisyonunda Al2O3 ve SiO2’den başka FeO, MgO ve

CaO gibi oksitlerde bulunmaktadır. Bir çok şamot tuğlanın ham maddesini kaolin (Al2O3

.2SiO2 . 2H2O) teşkil etmektedir. Şamot tuğla yapılırken kil su ile karıştırılıp preslenerek

şekillendirilir. Tünel fırınlarda 36 saat süreyle kurutulduktan sonra yakılır. 3-5 gün süreyle

1280-1350 °C’ ye yükseltilir. Tuğlalar bu sıcaklıkta 2-3 gün tutulur. Şamot tuğlalar yüksek

sıcaklıklarda ani sıcaklık değişimlerine karşı dayanıklıdırlar. Bu tuğlaların kalitesi ve fiyatı

içerisindeki alümina yüzdesi arttıkça yükselmektedir.

Magnezit Refrakterler : En çok kullanılan bazik refrakterler, magnezit tuğlalardır. Uygun

bir bağlayıcı kullanarak şekillendirilen periklas (MgO) dan yapılmaktadır. Periklas

magnezitin (MgCO3) veya Brusit (MgO.H2O)’nun kalsinasyonu sonucu elde edilmektedir.

Magnezit tuğla, öğütülmüş periklasın az miktarda demir oksit ile karıştırılıp şekillendirilmesi

ve pişirilmesi ile elde edilir. Magnezit tuğlalar bazik cüruflara karşı çok dayanıklıdır. Yüksek

sıcaklıklarda mukavemeti oldukça düşük olup, yoğunluğu 2.72 gr/cm3 ve içerdiği gözenek

miktarı % 18-22 arasında değişmektedir.

60

Grafit : Grafit karbonun bir kristal yapılı olanıdır. En yüksek refrakterlik özelliğine sahip

malzemelerden biridir. Grafit ısıyı ve elektriği çok iyi iletir. Bu bakımdan indirekt ısıtmayı

gerektiren hallerde grafit refrakter malzemelerden geniş ölçüde yararlanılmaktadır. Keza

metallerin ergitilmesinde grafit potalar yaygın olarak kullanılmaktadır. Grafit potalar, değişik

oranda grafit tozu ve kil karışımından yapılmaktadır. Kil bağlayıcı görevi yapmakta ve

miktarı arttıkça potanın kalitesi de düşmektedir. Geleneksel grafitin fabrikasyonu aşağıda

verildiği şekildedir.

Refrakter Malzemenin Kullanılması

Refrakter tuğlalar, inşaat tuğlaları gibi örülmekle beraber kullanılan metot farklıdır.

Genellikle minimum harç kullanılmasına gayret edilir. Harcın, tuğla kompozisyonunda veya

ona yakın olması istenir. Şamot tuğlalar, kendi harç toprağı su ile karıştırılmak suretiyle elde

edilen harç ile örülür. Refrakter tuğlalardan bazıları, tuğla harca daldırılıp yerine koymak

suretiyle örülür. Fırın ısıtıldığı zaman harç malzemesinin tuğla yüzeyleri ile kimyasal

reaksiyon yaparak ara yüzeyde sağlam bir bağlandı meydana gelmesi arzu edilir.

CÜRUFLAR

Kavrulmuş cevher veya konsantrelerin veya zengin cevherlerin doğrudan doğruya ergitilmesi

sonucu birbirine karışmayan belli başlı üç ayrı faz elde edilir. Bunlar;

a) Gaz faz

b) Metalin bulunduğu eriyik faz

c) Çeşitli silikatların oluşturduğu cüruf fazıdır

61

Genel olarak cüruflar metal ile karışmazlar ve ekonomik bir değer taşımazlar. Demir

çeliklerdeki yüksek fırın cürufları portland çimentosu üretiminde kullanılmaktadır. Demir dışı

metal üretiminde elde edilen cüruflar genellikle değerlendirilemeden atılırlar.

Şekil 22. Cürufun Yapısal Görünümü

Katkı Maddeleri : Fırına metal ihtiva eden şarj maddesine ilaveten özellikle cüruf

oluşturması için metalsiz şarj maddeleri ilave edilir. Ergitme işlemlerinde kullanılan şarj

maddeleri ucuz ve kolay elde edilebilir olmalıdır. Fırınlarda imkan nispetinde en fazla metal

ihtiva eden hammadde ve en az miktarda katkı maddesi kullanmaya gayret edilir.

Katkı Maddelerinin Sınıflandırılması

Demir oksitler : Özellikle bakır, kurşun ve demirin ergitilmesinde kullanılmaktadır.

Manganez oksitler : Özellikle demir çelik üretiminde şarj maddesindeki kükürdü gidermek

üzere katkı maddesi olarak yaygın olarak kullanılır.

Kalker (CaCO3): Metalsiz olarak en çok kullanılan katkı maddelerinden biridir. Demir,

kurşun ve bakır cevherlerinin ergitilmesinde yaygın olarak kullanılır. Kalker kalsine

62

edilmeksizin şarja ilave edilir. Fırın içinde şarj aşağılara indikçe 900-1000 °C aralığında

kalsine olarak CO2 gazını verir. En iyi kalker içerisinde minimum kuvars bulunandır.

Dolomit ve Magnezit : Bu katık maddeleri de kalkere benzerdirler. Daha çok demir-çelik

ergitme fırınlarında katkı maddesi olarak kullanılmaktadır.

Tablo 5. Çeşitli Ergitme Cüruflarının Kimyasal Analizleri

SiO2 Al2O3 CaO FeO MnO MgO ZnO

Demir Çelik Yük. Fır. 35,0 15,1 32,9 - 2.5 8.0 -

Kurşun Düşey Fırını 20,2 15,0 11,0 30,5 - 6,1 1,2

MAT Bakır Üretme Fır. 33,5 5,2 4,0 44,6 - 2,2 -

İyi bir cürufta aranan özellikler

a) Düşük ergime sıcaklığı

b) Yoğunluğunun düşük olması

c) Düşük viskozite

Ergitme Fırınları

Cevher, konsantre, kalsine veya sinterden meydana gelen metal ihtiva eden hammaddelerin

ergitilmesinde kullanılmakta olan fırınların başlıcaları.

Düşey (Yüksek) Fırın : Düşey fırınlar, en çok kullanılan fırın tiplerinden biri olup, üstten şarj

edilip, alttan boşaltılırlar. Hava (veya diğer gazlar) fırın tabanına yakın yerden, alttan fırına

üflenip, şarj kitlesi arasından yukarı doğru yükselirler. Fırına şarj edilen katı maddeler, fırını

terk eden gazlar tarafından sürüklenmeyecek derecede büyük parçacıklar halinde olmalıdır.

Yukardan inen şarj maddesi ile yukarı doğru yükselsen gazlar arasında kimyasal reaksiyonlar

olmaktadır. Fırına verilen yakıta şarj ile birlikte fırına üstten verilmektedir. Düşey fırınlarda

yakıt olarak metalurjik kok kömürü kullanılmaktadır. Fırına verilen şarj, fırın iç boşluğunu

tamamen doldurur. Şarj yavaş yavaş aşağıya indikçe meydana gelen üstteki boşluğa yeni şarj

63

maddesi ilave edilir. Fırına verilen şarj maddelerinin tane büyüklükleri ne fırının tıkanmasına

sebebiyet verecek derecede ince, ne de şarj maddesinin yeteri derecede reaksiyona girmesini

engelleyecek derecede büyük olmalıdır. Bu fırınlara verilen şarj maddelerinin parçacık boyutu

2-3 cm civarında olmalıdır. Düşey fırınlara en iyi örnek olarak demir çelik üretiminde

kullanılan yüksek fırını verebiliriz. Bunun yanında bakır, kurşun, çinko, nikel cevherlerinin

ergitilmesinde de 5-6 metre yükseklikteki düşey fırınlar kullanılmaktadır.

Reverber Fırınları : Reverber fırınları yatay fırınlar olup, değişik boyutta ve bir çok

metalurjik işlemde kullanılmaktadır. Bu fırınların en önemli olanları;

1. Çelik üretiminde kullanılan Simens – Martin fırınları

2. Sülfür bakır konsantrelerinin ergitilmesinde kullanılan Reverber fırınlarıdır.

Reverber fırını, daha ziyade bir ergitme fırınıdır. Derin bir taban kısmı, yan ön ve arka

duvarları ile tavandan meydana gelmektedir. Fırın dikdörtgen bir prizma şeklindedir. Ön

duvara yerleştirilmiş brülörler vasıtasıyla ısıtılırlar. Bu fırında uzun alevli yakıtlar (gaz, akar

yakıt veya pulverize kömür) kullanılmaktadır.

Şekil 23. Reverber fırınının şematik gösterimi

Muf Fırını : Bu tip fırınlar, şarjın alev veya hava ile temas etmemesi istendiği hallerde

kullanılır. Şarjın ısınması indirekt ısıtma ile sağlanır. Isıl randımanı imkanlar nispetinde

Cevher-Curuf Yapıcı Sıcak Fırın Gazı

Çöktürme Bölgesi

Hava Ergime Bölgesi MAT Cüruf

Ergime Bölgesinin

Kesit Görünüşü

Sıvı Yakıt

64

artırmak için muf fırın yapımında kullanılan refrakter malzemenin ısıl iletkenliğinin yüksek

olması istenir. Genellikle bu tip fırınların ısıl randımanları düşüktür. Pirometalurjik

metotlarda çinko, kadmiyum ve cıva üretiminde muf tipi fırınlar kullanılır. Yakıt olarak kok

kömüründen başka gaz, sıvı yakıtlar ve pulverize kömür kullanılabilmektedir.

Pota Fırınları : Bu fırınlarda bir çeşit muf fırını olarak düşünülebilir. Bu fırınlarda kullanılan

söz konusu potalar değişik ölçülerde yapılırlar. Potalar ısıl iletkenliği yüksek olan grafitten

yapılırlar. Grafit tek başına kullanıldığında sağlam bir pota yapmak oldukça zor olduğundan

genellikle grafit içerisine belli oranlarda bağlayıcı olarak kil kullanılır. Pota için kullanılan

kilin miktarı arttıkça kilin ısıl iletimi ve kalitesi de azalır.

Isıl iletkenliği, oldukça yüksek olan bir diğer refrakter malzemede silisyum karbürdür ve pota

imalinde oldukça sık kullanılır. Silisyum karbür potalar grafit olanlara göre daha mukavim

ve ısıl iletkenlikleri daha yüksektir. Refrakter potalar laboratuarlarda kullanılan bir kaç yüz

gramdan endüstride kullanılan 1 tona varan kapasitelerde yapılabilmektedir. Pota fırınları

daha çok döküm işlerinde kullanılmakta ve en çok tercih edilen fırın tipini oluşturmaktadır.

Bilhassa her defasında farklı kompozisyonda alaşım döküleceği zaman, yapılacak döküm

miktarı az olduğunda ve ilk yatırımın minimum olması gereken hallerde bu tip fırınlar

diğerlerine tercih edilir.

Çok katlı Fırınlar : Bu fırınlar daha çok sülfür cevherlerinin kavrularak oksit hale

getirilmelerinde kullanılmaktadır.

Döner Fırınlar : Silindirik şekilli fırınlar olup, boyları ve çapları yapılacak metalurjik işlemin

cinsine göre değişmektedir. Bu fırınlarda çelik gövdenin içi ateşe dayanıklı refrakter tuğla ile

örülmüştür. Yakıt fırın alt ucundan yakılıp, gazlar fırının üst ucundan terk ederler. Döner

fırınlar kurutma, kalsinasyon ve destilasyon maksadı ile kullanılır.

65

Elektrik Fırınları : Elektrik fırınları, demir veya demir dışı metallerin ergitilmesinde

kullanılırlar. Başlıca iki amaca hizmet ederler.

1. Enerji cihazı olarak, reaksiyonların istenen yönde gelişmesini temin etmek.

2. İstenen özelliği temin maksadıyla bir karışım, sıvı ve gaz haline getirildiği gibi, istenen

halde tutmak içinde iş görmektedir.

Elektrik Fırınların Sınıflandırılması : Elektrik fırınları bir çok bakımdan sınıflara

ayrılabilir. Her çeşit sınıflandırma endüstriyel kolaylık sağlamak için yapılmıştır. Endüstride

kullanılan yaklaşık bütün fırınlar alternatif akım fırınlarıdır. Sadece elektroliz işleminin söz

konusu olduğu hallerde doğru akım fırınları kullanılmaktadır. Yaygın olarak elektrik

fırınlarının sınıflandırması şu şekilde yapılmaktadır.

1. Direnç fırınları

2. Ark fırınları

3. Endüksiyon fırınları

Direnç Fırınları : Bu fırınlar iki tiptir. Birinci tipte cereyan yüksek amper ile eriyecek

maddeden geçer ve bu maddenin gösterdiği direnç sonucu meydana gelen ısının etkisiyle

erime olur. İkinci tipte ise ceryanın geçtiği özel bir direnç maddesi kullanılır ve bu madde

ısıtılmış olur. Bu direnç maddesi şarjın bir kısmını teşkil etmez. Fakat direkt radyasyon ile

ısısını şarja vermiş olur.

Ark Fırını : Ark fırınında, fırının iç boşluğunda ark meydana getirilir. Ark iki elektrot

arasında veya şarj ile elektrodun temas etmesiyle meydana gelir.

Endüksiyon Fırınları : Yüksek frekanslı endüksiyon fırınları büyük ölçüde, demir dışı

metallerin eritilmesinde kullanılmaktadır.

66

Fırından Alınan Cürufların Gizli Isısı İle İlgili Problemler

Problem 1.

CaSiO3 bileşimindeki cürufun ergime sıcaklığı 1540 °C dir.

Cürufun teşekkül sıcaklığı ise 1600 °C’dir.

Cürufun fırından alınış sıcaklığı ise 1650 °C’dir.

Cürufun erime ısısı 100 Kcal/kg’dır

Cürufun (CaSiO3) ortalama özgül ısısı 0-1540 °C aralığında 0,220 Kcal/kg’dır.

İstenen : 1650 °C’deki 100 kg cürufun fırın dışına taşıdığı ısı miktarı nedir.

Çözüm :

1 kg cürufu 0 °C’den 1540 °C’ye ısıtmak için gerekli olan ısı miktarı

1540 x 0,220 = 339 Kcal/kg

Cürufun 1540°C’de katı halden sıvı hale geçmesi için gerekli ısı miktarı = 100 Kcal/kg

Eriyik CaSiO3 ‘ün özgül ısısı = 0,40 Kcal/kg

1 Kg eriyik cürufu 1540 °C’den 1650 °C’ye kadar ısıtmak için gerekli olan ısı miktarı

110 x 0,40 = 44 Kcal

Toplam gerekli ısı miktarı = 100 x (100 + 44 + 339) = 48300 kcal.

Problem 2.

0 °C’deki SiO2 ve CaO kullanılarak 100 kg 1650 °C sıcaklıktaki eriyik CaSiO3 cürufu elde

etmek için ne kadar ısıya ihtiyaç vardır hesaplayınız.

Çözüm : cürufun teşekkül sıcaklığı 1600 °C olsun. Yani erime sıcaklığından 60 °C daha

yüksek. Önce katı haldeki CaO ve SiO2’ 1600 °C’ye kadar ısıtılması için gerekli olan ısı

miktarlarını bulalım.

67

CaO’din ortalama özgül ısısı 0 – 1600 °C = 0,202 Kcal (0,202 x 1600 = 323 Kcal /kg CaO

için) SiO2’in ortalama özgül ısısı 0 – 1600 °C = 0,270 Kcal (0,270x1600 = 432 Kcal / kg SiO2

için)

48,3 x 323 = 15600 Kcal

51,7 x 432 = 22400 Kcal

1600 °C’ de meydana gelen egzotermik reaksiyon sonucu açığa çıkan ısı miktarı

CaO + SiO2 -------------> CaSiO3 = ΔH = -22 400 Kcal.

22400 x100/116 =19 320 Kcal 100 kg CaSiO3 ‘ün teşekkül ısısı.

Katı fazdan sıvı faza geçerken 100 Kg CaSiO3 için gerekli ısı

100 x 100 = 10 000 Kcal gerekmektedir. (erime ısısı)

Eriyik haldeki cürufu 1600 °C’den 1650 °C’ye yükseltmek için gerekli ısı miktarı

100 x 50 x 0,40 = 2000 Kcal

Toplam gerekli ısı miktarı = 15600 + 22400 + 10000 + 2000 – 19320 = 30680 Kcal

68

BÖLÜM 3

HİDROMETALURJİ

Hidrometalurji : Sulu ortamlarda yapılan işlemlerle, cevher, konsantre, kalsine v.s.

maddelerin çözülüp metallerin sonradan ayrılması diye tarif edilebilir. Hidrometalurji işlem

kademeleri çoğu zaman cevher zenginleştirme işlem kademelerini ( öğütme, sınıflandırma,

filtrasyon) içine almaktadır.

Hidrometalurji bir bakıma laboratuarlarda kullanılan sulu üretim metotlarının endüstriyel

ölçüde tatbikidir. Uygun sulu solüsyonlar kullanılmak suretiyle mineral içindeki metal

çözünmekte ve metal içermeyen gang minerali ise çözünmeksizin artık malzemede

kalmaktadır. Metallerin bu şekilde uygun solüsyonlarla çözünmesine liç denmektedir. İnce

taneli ham maddeler, mekanik karıştırıcılardan veya basınçlı havadan faydalanmak suretiyle

solüsyon ile devamlı surette karıştırılarak liç yapılır. Liç işlemi tamamlandıktan sonra çözelti

artıklardan ayrılmak (filtre etmek vs.) suretiyle zengin liç solüsyonu elde edilir. Bu

solüsyondan metalin elde edilmesi aşağıdaki şekillerde olabilir.

a) Kimyasal çökeltme

b) Elektroliz

c) Çözeni buharlaştırmak

Hidrometalurjideki işlem basamakları

1. Cevher, konsantre v.b maddelerin hazırlanması

2. Metal içeren mineralin liç edilmesi

3. Zengin liç solüsyonunun çözünmeyen artıklarının ayrılarak alınması

4. Liç solüsyonundaki metalin çökeltilmesi

69

5. Çökeltinin işlenip satılır hale getirilmesi (ergitme, tasfiye ve döküm vb.)

Hazırlık İşlemi

Liç yapılacak hammaddelerin hazırlığı şu şekilde yapılır

a) Kırma ve öğütme

b) Daha sonraki işlemlerde reaktif tüketimine sebep olacak ve işlemin yürümesine zorluk

çıkarabilecek bazı çözünebilen tuzların, hammaddeyi yıkamak suretiyle bünyeden

uzaklaştırılması.

c) Çözünmeyen metal bileşiklerin çözünebilir hale gelmesi, zararlı bazı elementlerin

uçurulup bünyeden atılması için yapılan kavurma işleminin yapılması.

Liç

Kullanılacak çözücü solüsyonun ucuz, daima kolaylıkla temin edilebilen ve bahis konusu

metal bileşimleri hızla çözebilen bir özellikte olması gerekmektedir. Kullanılan belli başlı

çözücüler Su, sülfirik asit, klorür asit, sodyum hidroksit, amonyak bileşimleri, sodyum

siyanür, ferritik klorür ve ferritik sülfattır.

Zengin Liç Solüsyonunun Atıklardan Ayrılması

Liç işlemi tamamlandıktan sonra, liç solüsyonu çözünmeyen artıklardan ayrılır. Artıkların

solüsyondan ayrılmasında filtrasyondan faydalanılabilir.

Metallerin Çökeltilmesi

Liç solüsyonlarındaki metalleri çökeltmek şu şekillerde olabilir

a) Kimyasal yoldan çökeltme

b) Çözünmeyen anot kullanmak suretiyle elektronik çökeltme (Elektrovinning)

c) Buharlaştırma suretiyle

70

BÖLÜM 4

ELEKTROMETALURJİ

Elektrometalurji : Cevher veya metal ihtiva eden her çeşit ham madde içindeki metalleri

elektrik enerjisinden faydalanarak üretmeye elektrometalurji denir. Gerçekte Elektro–

metalurji elektro – kimyanın bir kısmını teşkil etmektedir. Elektro– metalurjide elektro –

kimya metotlarının metallere tatbiki söz konusudur. Elektro-kimyanın iki temel bölümü

vardır.

1. Elektroliz (Elektrik enerjisi, elektroliz yapmak için kullanılmaktadır.)

2.Elektrotermik (Elektrik enerjisi, tamamen ısı temin etmek amacıyla kullanılmaktadır)

Elektroliz : Elektrik cereyanının sulu veya eriyik elektrolitlerden geçmesiyle meydana gelen

kimyasal ayrışma neticesi katot da metal iyonlarının ve anot da metalik olmayan iyonların

serbest hale gelmesi olayıdır.

Elektrovinning : Genellikle hidro-metalurji tatbikatı olarak, liç işleminden sonra elde edilen

metalce zengin solüsyonlardan metallerin kazanılması demektir. Örneğin bakır cevherleri liç

işlemiyle çözünüp bakır, bakır sülfat olarak solüsyona alındıktan sonra elektrovinning

metoduyla saf bakır olarak katot da toplanmaktadır. Çinko kalsinelerinin sülfürik asitli

solüsyonlarda liç yapıldıktan sonra elektroliz yoluyla katot da toplanması da yine bir

elektrovinning tatbikatıdır. Alüminyumun tamamı, magnezyumun büyük kısmı, berilyum,

sodyum, kalsiyum ve diğer bazı metaller benzer metotlarla elde edilmektedir.

Elektrolitik Tasfiye : Saf olmayan metalin anot şeklinde dökülüp, elektrolit içinde çözünerek

katot da saf metal halinde toplanması olayıdır.

Elektrotermik : Elektrik enerjisinin ısı temini maksadıyla kullanılmasıdır. Elektrik fırınları

elektrotermik tatbikatı olarak, aşağıda verilen maksatlar için kullanılmaktadır.

71

- Ergitme

- Arıtma

- Alaşım yapma

- Muhtelif metal veya alaşımların döküm maksadıyla eritilmesi için

Elektrik fırınlarının, yakıt yakmak suretiyle ısıtılan diğer fırınlara nazaran belirli bir avantajı

vardır. O da elektrik fırınlarında ısının, metalin veya şarjın içinde meydana gelmesindedir.

Yakıt yakılarak ısıtılan fırınlarda ise ısı, sıcak alevler veya gazlarla şarja geçmektedir.

Elektrik fırınlarında sıcaklık ve fırın atmosferinin kontrolü çok daha hassastır. Elektrikle

çalışan fırınlarda çok daha yüksek sıcaklıklara çıkmak mümkündür. Genellikle demir dışı

metallerin ergitilmesinde elektrik fırınları kullanılmaktadır. Bakır cevher veya

konsantrelerinin ergitilip MAT üretiminde elektrik fırınları kısmen kullanılmaktadır. Demir

dışı metallerin ergitilmesinde ve sıcak tutulmasında elektrik fırınları büyük ölçüde

kullanılmaktadır. Çelik üretiminde yukarda belirtilen sebeplerden dolayı yüksek kalite de

çelik üretimi için tercihen kullanılmaktadır. Elektrik fırınlarında üretilen çelikler gaz

boşlukları içermezler. Daha sıkı yapılı ve daha iyi mekanik özelliklere sahiptirler. Bir çok

alaşımlı çelikler ancak elektrik fırınlarında üretilebilmektedir. Elektrotermik metotlarla

ergitme yapmanın yegane mahsurlu yanı elektrik enerjisinin pahalı olması ve üretim

maliyetlerini artırmasıdır. Bu bakımdan elektrik enerjisinin ucuz olduğu yerlerde daha çok

tercih edilmektedir.

72

ÇİNKO VE ÇİNKO ÜRETİMİ

Temel Özellikleri

Çinkonun kimyasal sembolü : Zn

Atom numarası : 30

Atom ağırlığı : 65,37

Özgül Ağırlığı : 7,14 g/cm3

Ergime sıcaklığı : 420 oC

Buharlaşma sıcaklığı : 907 oC

Buharlaşma ısısı : 426 Kcal/kg

Çinkonun bileşiklerinde aldığı değ : +2

Tüketim Alanları ve % Miktarları

Galvanizlemede (kaplamada) % 48

Prinç İmalatı % 18

Çinko Esaslı Alaşımlar % 15

Kimyasallarda (antiseptik madde) % 8

Diğer uygulamalarda %11

Saf çinko kristal yapılıdır, sıcak ve soğuk suda çözünmez. Fakat alkolde çözünür. Çinko kuru

havadan etkilenmez fakat rutubetli havada oksitlenir ve yüzeyi onu daha sonraki korozyona

karşı koruyacak bir karbonat tabakasıyla kaplanır. Tabiatta yalnızca bileşik halde bulunan

çinkonun oksit, sülfür ve sülfat halde bulunan minerallerinden başlıcaları;

1. Sfelarit ZnS 67,09 Çinko sülfür

2. Smitsonit ZnCO3 52,14 Çinko karbonat

3. Hemimorfit 2ZnO·SiO2H2O 54.28 Çinko hidro silikat

4. Willemit Zn2SiO4 58,68 Çinko silikat

5. Zinkit ZnO 80,34 Çinko oksit

Bu minerallerin içerisinde en önemli olanları sfelarit ve smitsonit olup, metalik çinko

üretiminde esas kaynağı teşkil ederler. 1920 yılından beri geliştirilerek tatbik edilen flotasyon

metodlarıyla sfelarit minerali yüzdürülerek çinkoca zengin konsantreler elde edilmektedir.

Bugün bütün dünyada çinko üretiminde flotasyon konsantreleri kullanılmaktadır.

73

Çeşitli çinko flotasyon konsantrelerinin kimyasal analiz değerleri (% ağırlık olarak)

Konsantre Zn Pb Cu Cd Fe CaO MgO SiO2 Al2O3 S

Terra Nova 59,30 2,65 0,63 0,50 1,75 0,10 0,10 1,10 0,30 30,07

Bu değerlerde küçük değişmeler olsa bile konsantrenin genel kompozisyonu çinko ve

kükürtten ibarettir.

Metalik Çinkonun Eldesi

Konsantre çinko minerali kavrulup oksit durumuna getirildikten sonra metalik çinko üretimi

için bilinen iki yol vardır.

1. Kuru Yöntem (indirgeme yöntemi) Prometalurjik Uygulama

Bu uygulamada oksit haldeki çinko muf, elektrik ark ve yüksek fırınlarda kok tozu ile

indirgenerek çinko üretimi gerçekleştirilir.

Meydana gelen genel indirgenme reaksiyonu

ZnO + C -------------------------> Zn + CO

ZnO +CO -------------------------> Zn + CO2

CO2 + C -------------------------> 2CO

2. Yaş Yöntem (elektroliz yöntemi) Hidrometalurjik uygulama. Bu yöntemde de öncelikle

çinko oksit elde edilir daha sonra çinko oksit seyreltik sülfat asidinde çözünerek elde edilen

çinko sülfat çözeltisi elektroliz edilir. Bu uygulamada metalik çinko katodda toplanır.

Liç ZnO + H2SO4 ---------------------> ZnSO4 + H2O

Doğru Akım Elektroliz ZnSO4 + H2O ---------------------> Zn + H2SO4 + 1/2O2

Muf Fırınlarında Muf ve Kondensatörler

Çinko destilasyon tesislerinde, destilasyonun fiilen yapıldığı bir muf fırını ve buharlaşan

çinkonun kondanse olması için de bir kondensatör vardır. Muf kaba kırılmış şamot ile ham kil

karışımından yapılır. Şamot mufun iskeletini teşkil eder. Ham kilde bağlayıcı olarak görev

74

yapar. Şamot oranı arttıkça muf o nispette sağlam olur. İnce kil oranı arttığı zaman muf o

nispette az gözenek içerir. Bu iki özellik arasında en uygun karışım tercih edilir.

Genellikle % 50, % 50 oranında karışım kullanılır. Mufun fiziksel özellikleri yanında

kimyasal özelliklerine de dikkat edilmelidir. Muf malzemesinin cevher içerisindeki gang

malzemesinden en az etkilenmesine dikkat edilmelidir. Şayet cevher içerisinde gang minerali

silisten meydana geliyor ise mufun da daha fazla silis içermesine dikkat edilmelidir.

Cevherdeki gang demir ve kireç içeriyorsa yani bazik karakterde ise mufun alüminyum içeren

veya nötr karakterde refrakter malzemeden yapılmasına dikkat etmeliyiz. Kısaca mufun

malzemesi ile cevherdeki gangın uyumlu olması gerekir.

Muf Fırınlarında Destilasyon

Muf fırınlarında kalsine ve kömür karışımı şarj edildikten sonra indirekt olarak 1400 – 1500

°C aralığında ısıtılarak şarj içerisindeki çinko oksit indirgenip metalik çinko buharı şeklinde

kondansatörlere sevk edilirler. Destilasyon işlemi aralıklı olarak yapılmaktadır. Şarj destile

edildikten sonra muf içerisinde kalan atıklar temizlenip yeniden şarj işlemi gerçekleştirilir.

Destilasyon periyodu genellikle 24 saat kadardır. Bu süreye şarjın yapılması, muf içerisindeki

atıkların temizlenmesi, kondansatörlerin temizlenmesi, kondansatörlerin yerlerine

yerleştirilmeleri, kırılan mufların yerlerine yenilerinin konması gibi uygulamalarda dahildir.

Metal randımanını yükseltmek için 24 saatlik süre 48 saate kadar çıkartılabilir. Ancak metal

randımanı % 90’dan % 94’e yükselirken tüketilen gaz yakıtın sarfiyetı % 30 artmaktadır.

Çinko oksidin CO tarafın indirgenmesi 700 °C’den sora başlıyor olsa da reaksiyonun istenen

hızda devamı için sıcaklığın 1100 °C’nin üzerine çıkması gerekmektedir. Ferritlerin

(ZnO.Fe2O3 ve 2ZnO.Fe2O3) bileşimindeki çinko oksidin karbon tarafından indirgenmesi

1500 °C’de ZnO’in karbon tarafından indirgenmesi kadar kolay olur. Şarja kalker katılması

reaksiyonları hızlandırır

75

ZnO.Fe2O3 + CaO -----------------> CaO.Fe2O3 + ZnO

ZnO.SiO2 + CaO -----------------> CaO.SiO2 + ZnO

Şekil 24. Muf fırınlarında destilasyonla çinko ve magnezyum üretimi

Muf Fırınlarında Kömür Sarfiyatı

Kömür sarfiyatı, kömürün kalitesine ve cevherin çinko tenörüne bağlı olarak değişmektedir.

Uygulamada 7200 Kcal /kg kalorifik değerde bir kömür kullanarak % 70 çinko tenörlü kalsine

muf fırınında destile edildiğinde 1 ton kalsine için ½ ton kömür yakılmaktadır. Fırından çıkan

sıcak gazlarla buhar üreterek kömürün kalorisinin 1/3’ ünü geri kazanmak mümkündür.

Elektrolitik Çinko Üretim Metodu

Metalik çinko, çinko cevherlerinden piro metalurji ve hidro-elektro metalurji metodlarıyla

üretilmektedir. Piro metalurji metoduna muf metodu da denmektedir. Hidro-elektro –

metalurji metoduna genellikle elektrolitik çinko metodu denmektedir. Bu metot piro metalurji

metoduna göre daha yenidir.

Elektrolitik çinko üretiminde takip edilen aşamalar

1. Cevher veya konsantrenin liç yapılmaya hazırlanması

2. Kalsinenin liç yapılarak saf çinko sülfat solüsyonunun elde edilmesi

3. Saf çinko sülfat solüsyonunun elektrolizi sonucu elektrolitik çinko üretimi

76

Çinko sülfür, liç solüsyonunda çözünmez, ancak oksit veya sülfat haline geldiği zaman

kolaylıkla çözünür. Bu bakımdan kavurma elektrolitik çinko üretiminin başlangıç ve en

önemli safhasıdır. Yapılan elektroliz işleminde elektrolizi etkileyen faktörler şunlardır.

1. Elektrolitin sıcaklığı

2. Amper yoğunluğu

3. Elektrolitteki asidin çinkoya oranı

4. Elektrodun saflığıElektrolizde kullanılan anotlar ; kurşun veya kurşun alaşımından

yapılırlar. Katot elektrotlar ise saf alüminyumdur.

Çinko konsantresinin kavrulması, liç yapılması ve elektrolizine ait kimyasal reaksiyonlar

Kavurma : 2 ZnS + 3 O2 = 2 ZnO + 2SO2

: 2 ZnO + 2 SO2 + O2 = 2 ZnSO4

liç : ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O

Elektroliz : ZnSO4 + H2O Dogru Akım = Zn + H2SO4 + 1/2 O2

Şekil 25. Metalik çinko ve kurşun üretimi.

77

ALÜMİNYUM VE ALÜMİNYUM ÜRETİMİ

Alüminyumun ve Özellikleri

Kimyasal Gösterimi : Al

Atom Numarası : 13

Atom Ağırlığı : 26,981

Yoğunluğu : 2,7 g/cm3

Ergime Derecesi : 660 °C

Buharlaşma Sıcaklığı : 2467 °C

Alüminyum güçlü bir elektropozitif ve oldukça reaktif bir metaldir. Havayla temasında

alüminyum hızlı bir şekilde yüzeyinde tok ve şeffaf bir oksit tabakası oluşturur ve bu oksit

filmi malzemenin daha fazla korozyona uğramasını önler. Bu nedenle alüminyumdan yapılan

parçalar kararmaz veya paslanmazlar.

Alüminyumun çeliğe göre yaklaşık üçte biri kadar daha hafiftir. Lityum Berilyum ve

magnezyumdan sonra en hafif metaldir. Ağırlığına karşılık mukavemeti alüminyumun uçak

yapımında, demir yollarında, motor gövdelerinde ve diğer pek çok alanda kullanımını faydalı

hale getirmiştir. Yüksek ısıl iletiminden dolayı alüminyum pek çok pişirme kaplarında, içten

yanmalı motorların pistonlarında kullanılmaktadır. Aynı çapta verilen bir alüminyum tel

bakırın % 63’ü kadar elektrik iletimine sahiptir. Fakat ağırlık olarak bakırdan daha hafiftir.

Özellikle elektrik iletiminde uzun mesafeli hatlarda ağırlık çok önemlidir. Bu nedenle bugün

700 000 volt elektrik akımı iletmede alüminyum iletkenler tercih edilmektedir.

Alüminyum yerkabuğunda en fazla bulunan metaldir. Yalnızca metal olmayan oksijen ve

silisyum alüminyumdan daha fazladır. Alüminyum doğada genellikle alüminyum silikat veya

silikat alüminyumun sodyum, potasyum, demir, kalsiyum, ve magnezyum gibi metallerle

karışımı halinde bulunmaktadır. Fakat hiçbir zaman serbest halde bulunmaz. Alüminyumun

78

üretildiği cevherler boksit olarak isimlendirilir. Bu cevher % 50-60 nispetinde Al2O3 içeren

Gibbsite (Al (OH)3) ve Böhmite (AlO (HO)) yada Diaspore (AlO (HO)) karışımından

ibarettir.

Unit Gibbsite Böhmite Diaspore

Kompozisyonu Al(OH)3 AlO(OH) AlO(OH)

Maximum Alumina miktar % 65.4 85.0 85.0

Kristal yapı Monoclinic Orthorhombic Orthorhombic

Yoğunluk gcm-3 2.42 3.01 3.44

Hızlı dehidrasyon için Sıcaklık °C 150 350 450

İlk olarak 1886 yılında Amerika birleşik devletlerinde Charles Martin Hall ve aynı zamanda

aynı metotla Fransadan Paul L.T. Haroult alüminadan veya alüminyumoksitten ayüminyum

üretimini gerçekleştirmişlerdir. Bu nedenle bu yöntemin adına The Hall-Haroult yöntemi

denmiştir.

İlk olarak alüminyum üretildiği yıl olan 1886 yılında dünyanın toplam alüminyum üretimi

sadece 45 kg ve kg’yaklaşık 11 dolar iken 1989 verilerine göre dünyanın yıllık alüminyum

üretimi 18 milyon ton ve kg fiyatı yaklaşık 2 dolar kadardır. Bugün dünyada üretilen

alüminyumun yaklaşık olarak % 31’ konteynır ve paketlemede, % 20’si evlerde ve diğer

yapılarda, % 24’ü taşımacılıkta, %10’u elektik donanımlarında, kalanı da diğer alanlarda

tüketilmektedir. Bugün Amerika birleşik devletlerinde tüketilmekte olan alüminyumun %

20’si kullanılan alüminyumun geri dönüşümünden elde edilmektedir.

Alüminyum Üretimi

- Kırılmış ve öğütülmüş boksit cevheri % 30 kostik soda (NaOH) içeren 150-230 °C

aralığındaki büyük bir basınç tankına konur. Tankın basıncı düşük sıcaklıklarda 4 Atm. Fakat

en yüksek sıcaklıkta bu basınç 30 Atm. kadardır. Sıcaklığın geniş bir aralıkta olmasının

79

nedeni cevherdeki karışım halde bulunan alüminyum monohidrat ve alüminyum trihidratla

alakalıdır. Trihidrat yapı 150 °C’de çözünebilirken, monohidrat yapı daha yüksek

sıcaklıklarda veya daha konsantre kostik soda çözeltilerinde çözünebilmektedir. Ancak

sıcaklık yükseltildiğinde çözeltiye alınan silikanın miktarı artmaktadır ve kostik soda (NaOH)

çözeltisi arıtıldığında alüminyum hidroksit çökelmesi daha zor ve pahalı olmaktadır. NaOH

içerisinde çözünen silikat sodyum silikat oluşturur fakat bu bileşim çözünemeyen alümina

silikat oluşturmak için sodyum alüminatla birleşir. Oluşan alümina silikat kırmızı bir çamur

oluşturur.

Basınç tankı (Otoklav)

Gibbsite Al(OH)3 + Na+ + OH- ---> Al(OH)4- + Na+

Böhmite and Diaspore AlO(OH) + Na+ + OH - + H2O ---> Al(OH)4- + Na+

Çökeltme

Al(OH)4- + Na+ ---> Al(OH)3 + Na+ + OH-

Kalsinasyon

1200 °C 2Al(OH)3 -------------> Al2O3 + 3H2O

Ergitme

Daha sonra çökelti filtre edilir ve elde edilen α-Al2O3’a 1200-1300 °C’de kalsine edilir ve

ergitmeye hazır hala getirilir. Bu aşamada Al2O3’ün silis ve demirden tamamen arındırılması

gerekir. Aksi halde her iki element indirgeme sonrası elde edilen alüminyum içerisinde

safsızlık olarak kalacaktır. Al2O3 elektrolitik olarak Hall-Heroult işlemi ile alüminyuma

indirgenir. Alüminanın çözünmesi yaklaşık 970 °C’deki ergiyik haldeki oranları sırasıyla %

87; %5; ve % 8 olan kriyolit(Na3AlF6), AlF3, CaF2 olan bir karış içerisinde gerçekleşir.

2Al2O3 + 3C ---> 4Al + 3CO2

80

cathode: 4 Al3+ + 12 e¯ 4 Al(l)

anode: 6 O2¯ 3 O2(g) + 12 e¯

net: 4 Al3+ + 6 O2¯ 4 Al(l) + 3 O2(g)

cathode: 4 Al3+ + 12 e¯ 4 Al(l)

anode: 6 O2¯ 3 O2(g) + 12 e¯

net: 4 Al3+ + 6 O2¯ 4 Al(l) + 3 O2(g)

Şekil 26. Hall-Heroult Elektrolitik Alüminyum Üretim Ünitesinin

Şematik Gösterimi

81

METALİK SAF BAKIR ÜRETİMİ

Oksit cevherler işlem görürken prometalurjik teknikler ve hidrometalurjik metotların tatbiki

daha fazla ekonomiktir. Bakır cevheri öncelikle kırma , öğütme ve % 20-40 arası bakır içeren

konsantre hale getirilirler. İkinci önemli aşama prometalurjik işlemleri tatbik ederek

elektrokimyasal (elektroliz) arıtma için uygun % 99 saflıkta bakır içeren bilister (ham) bakırın

dönüştürülmesi işlemidir.

Yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilen prometalurjik işlemlerden ilki bakır konsantrelerinin

kavrulma işlemidir. Daha sonra fırında (Reverber) ergitme ve devamı ise ergiyik ürünü okside

ederek, indirgeyerek ortamdan kükürt, demir ve oksijeni uzaklaştırarak geriye nisbeten saf

bakır bırakmaktır.

Konsantrasyon İşlemi

Bütün bakır sülfür içeren cevherler flotasyon (yüzdürme) tekniği kullanarak konsantre haline

getirilirler. Öğütülmüş cevher çeşitli kimyasallarla karıştırılırlar. Bu kimyasallar sülfür

minerallerini yüzey kimyası bakımından sıvı ortamda yüzer hale getirirler. Öncelikle sülfür

bakır cevheri kırılır, öğütülür ve cevherin yüzey alanı artırılır.

Daha sonra kimyasallarla karışım haldeki toz cevher su içeren tanka yüklenir. Tankın tabanına

basınçlı hava verilerek çıkan hava kabarcıklarına tutunan bakır sülfür (CuS) mineral

parçacıkları sıvı yüzeyine çıkarak buradan bakır konsantresi olarak alınırlar. Flotasyon

sonrasında %20-40 arası bakır içeren bakır konsantresi elde edilir. Daha sonra ya

hidrometalurjik işlem görür yada pirometalurjik işlem öncesi sinterlenirler.

82

Şekil 29. Flotasyon ünitesi

Kavurma

Kavurma fırınlarında kalsine ve sülfür dioksit (SO2) gazı üretmek için bakır konsantresi

kısmen okside edilirler. Stokiometrik reaksiyon şu şekilde gerçekleşir.

2CuFeS2(katı) + 3O2(gaz) → 2FeO(katı) + 2CuS(katı) + 2SO2(gaz)

Günümüzde bakır konsantreleri için kavurma işlemi çok yaygın olmayıp, Flaş ergitme tipi

gibi fırınlarda doğrudan ergitme işlemleri gerçekleştirilmektedir.

Ergitme

Kalsine daha sonra silika (SiO2) ve kireçtaşı (CaCO3) ile karıştırılır ve 1200 °C’de ergitilir.

Egzotermik reaksiyon etkisi altında MAT bakır adında sıvı halde bakır sülfür (CuS) ve demir

sülfür (FeS) yapıdan ibaret bir ara ürün elde edilir. Ortamın mevcut sıcaklığı reaksiyonların

gerçekleşmesine ve sıvı halde MAT bakır ve cüruf oluşumuna imkan verir. Dolayısıyla

ergiyik haldeki MAT bakır ve cürufun fırından kolayca alınması mümkün olur. Bakır

hurdalarının geri dönüşümünün sağlanmasında da bu aşamada ergiyik içerisine bakır hurdası

ilavesi yapılmaktadır. Meydana gelen reaksiyonlar şu şekildedir.

83

Örneğin demir oksit (FeO) ve demir sülfür (FeS) cürufa dönüşür. Bu cüruf yoğunluk

farkından dolayı sürekli MAT bakırın üzerinde kalmaktadır.

Reaksiyonlar

FeO(katı) + SiO2 (katı) → FeO.SiO2 (sıvı)

Bu reaksiyona paralel olarak demir sülfürde (FeS) cürufa dönüşmektedir

2FeS(sıvı) + 3O2 + 2SiO2 (sıvı) → 2FeO.SiO2(sıvı) + 2SO2(gaz)

Bilister (Ham ) Bakıra Dönüşüm

Ergiticilerden elde edilen MAT, bakır sülfür (CuS) ve demir sülfür (FeS) şeklinde yaklaşık

%70 bakır içermektedir. Sıvı MAT bakır içerisinden hava geçirmek suretiyle yüksek

sıcaklıklarda sülfür, sülfür dioksit (SO2) ortamdan uzaklaştırılır.

CuS(sıvı) + O2(gaz) → Cu(sıvı) + SO2(gaz)

Bu reaksiyona paralel olarak demir sülfürde (FeS) cürufa dönüşmektedir

2FeS(sıvı) + 3O2 + 2SiO2 (sıvı) → 2FeO.SiO2(l) + 2SO2(g)

Cevher-Curuf Yapıcı Sıcak Fırın Gazı

Çöktürme Bölgesi

Hava Ergime Bölgesi MAT Cüruf

Ergime Bölgesinin

Kesit Görünüşü

Sıvı Yakıt

84

Sonuçta elde edilen ürün bilister bakır olarak isimlendirilir ve yaklaşık %98 saflıkta bakırdan

ibarettir.

İndirgeme

Bilister bakır bir onot fırın içerisine konarak içerisinden doğal gaz üflenerek sıvı ergiyik

içerisindeki kalıntı oksijen de yakılarak %99 saflıkta anot bakır elde edilir.

Elektro arıtma (Elektroliz işlemi)

Elde edilen anot bakırdan elektroliz işlemi ile en yüksek saflıkta %99,99 bakır üretimi

gerçekleştirilir. Elektroliz kabı içerisinde meydana gelen reaksiyonlar.

At the anode: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e-

At the cathode: Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

Şekil 30. Bakır cevherinden metalik saf bakırın üretim aşamaları

Mitsubishi Bakır Üretim Metodu

85

Bu metot 1981 yılından beri özellikle japonya, kore endonezya ve Avustralya da tatbik

edilmekte olup, klasik yönteme göre kavurma yapmaksızın doğrudan cevherden ergitme ve

arıtma şeklinde bakır üretimi gerçekleştirilmektedir.

Ergitme reaksiyonları

2 CuFeS2 + 4 O2 Cu2S + 2 FeO + 3 SO2

FeS + 3/2 O2 FeO + SO2

FeS2 + 5/2 O2 FeO + 2 SO2

Dönüşüm reaksiyonları

Cu2S (matte) + O2 2 Cu (blister) + SO2

3 FeS (matte) + 5 O2 Fe3O4 (cüruf) + 3 SO2

CaCO3 (cüruf yapıcı) CaO (cüruf) + CO2

In addition, some Cu2S is oxidized to Cu2O:

Cu2S (matte) + 2 O2 2 Cu2O (cüruf) + SO2

2 Cu2O + Cu2S 6 Cu + SO2

86

Copper ores often contain very low concentrations of the metal. Because of this, many stages

of the production process focus on eliminating impurities. The ore is crushed and milled

before entering a flotation chamber, in which copper will concentrate at the top while

unwanted fragments sink. Next, the concentrate, now called charge, will enter a reverberatory

furnace, where more impurities are removed. During smelting, waste gases are removed, and

the material forms a molten pool of copper and iron, called the matte, at the bottom of the

furnace. The orange layer of impure metal on top of the matte is slag, which is drained off

while the copper matte continues on to a converter. Molten copper from the converter is cast

and must be refined once more by electrolysis before it is ready for use in the manufacture of

products such as electrical wire and utensils.

87

Aluminyum Alaşımları

1XXX Aluminium of 99% minimum purity

2XXX Aluminium-copper alloys

3XXX Aluminium-manganese alloys

4XXX Aluminium-silicon alloys

5XXX Aluminium-magnesium alloys

6XXX Aluminium-magnesium-silicon alloys

7XXX Aluminium-zinc-magnesium alloys

8XXX Miscellaneous alloys, e.g. aluminium-lithium alloys

Şekil 27 Alüminyumun haddelenmesi

Şekil 28 Alüminyumun ekstrüzyonu

88