Genel Konular Demir Çelik Üretim Teknolojisi KOCAELG ÜNGVERSGTESG MÜHENDGSLGK FAKÜLTESG METALURJG VE MALZEME MÜHENDGSLGĞG BÖLÜMÜ DEMGR ÇELGK ÜRETGM TEKNOLOJGSG GÜZ 2011-2012• Demir çelik üretim teknolojisi hammaddeden yarı mamul çelik üretimine kadar uzanan kademeleri içerir. • Çeliğin işlenip mamul olarak tüketime sunulması ile ise imalat teknolojisi ilgilenir.• Demir çelik üretim metalurjisi, bir bilim dalı olarak bir yandan kullanılan yöntemlerin, diğer taraftan da yeni teknolojilerin geliştirilmesine hizmet eder.• Temel olarak çelik üretimi için iki ana üretim tekniği bulunmakta ve yoğun olarak yurdumuzda ve dünyada kullanılmaktadır. • Bunlardan biri konvansiyonel yöntem olarak da adlandırılan yüksek fırın ve bu fırında üretilen ham demir ile• diğeri de yüksek fırın dışında redüksiyon (tam olarak direkt redüksiyon) yöntemi ile sünger demir adı verilen yarı mamul ile çelik üretimidir. • Ham demir, sünger demir ve hurda, çelik üretiminin en önemli hammaddeleridir.Türkiye Demir Çelik Tesisleri ve Kapasiteleri Taralı bölgeler demir rezervlerini siyah bölgeler ise kömür rezervlerini gösteriyor.1980 yılından günümüze Türkiye’de kullanılan çelik üretim yöntemleri ve değişimlerToplam çelik üretiminde elektrik ark ocağı ile üretilen çelik oranı ve kullanılan yerli ve yabancı hurda miktarlarıTürkiye çelik ürünleriElektrik ark fırını ile çelik üreten tesisler ve verileriDünya Ham Demir ÜretimiDünya Ham Çelik ÜretimiYassı ÜrünlerYassı Ürünler: BorularUzun Ürünler: Ağır profiller ve raylarUzun Ürünler: inşaat demirleri, çubuklarUzun Ürünler: Tel, yay ve filmaşinlerDemir Cevherinden Çeliğe Üretim AlternatifleriFarklı demir cevherleri, kimyasal formülleri ve gruplandırmaMetalurjik Kok Üretimi• Doğal kömürler, temel olarak bitkilerden oluşmuştur. • Kömürler, atmosfer, basınç ve sıcaklık etkisi ile bir çok kompleks reaksiyonlar ile oluşmuştur. • Bu reaksiyonkademeleri üç farklı kömürleşme durumuna göre irdelenebilir: • Turba Kömürünün Oluşması (Vertorfung):Kurumuş bitkilerin su veya çamur ile kaplanması ve böylece Hava ile temasın kesilmesiyle ayrışma reaksiyonları devreye girer ve kimyasal yapı değişerek bazı elementlerin guruplaşması meydana gelir.• 2. Linyit Oluşumu: – Turbanın linyite dönüşümü. Bu dönüşüm normal basınç ve sıcaklık koşullarında meydana gelir. • 3. Taşkömürü Oluşumu: – yüksek sıcaklık, basınç ve uzun reaksiyon sürelerinde linyit, taşkömürüne dönüşür.• Sayılan bu dönüşüm süreçleri, uygulanan elemanter analizler ile ortaya çıkarılabilir. Kömürün içindeki karbon oranının artması ile hidrojen, azot ve oksijen gibi uçucu element ve bileşikler azaldığı gözlenir.• Kok kömürleri uçucu elementlerin oranı, kok oluşumu ve koklaşma özellikleri açısından sınıflandırılabilir. • Özellikle uçucu elementler açısından bir sınıflanma vardır • Tam anlamıyla kömür sınıflandırması için taşkömürlerinde uluslararası sınıflandırma kullanılır. • Bu sınıflandırmada her taşkömürü cinsi 3 haneli bir kod ile tanımlanmıştır. • Bunlardan ilki taşkömürü sınıfını verir. – 1-5 arası sınıflandırma ile uçucu element yüzdesi – 6-9 arası ile kuru ve külsüz bileşim yüzdesi tanımlanır. • Bu sınıflar ayrıca kömürün pişirilme durumuna göre dört alt guruba ayrılmıştır. • Bu, kömür kodunun ikinci hanesinde gösterilir. • Üçüncü kod ile de bu gurupların alt guruplarının kaliteleri belirtilir.• Kömürlerin sınıflandırılmasında element veya kısa analiz yanında kalori değeri de verilmiştir. • Isıl değer olarak da adlandırılan kalori değeri DIN 51900’e göre tamamiyle yanan belli miktarda kömürden elde edilen ısının, toplam kömür ağırlığına oranı olarak tanımlanmıştır.• Islak olmayan bir kömür için ısıl değer 30.150 KJ/kg (Flammkohle) • 33.900 KJ/kg (Antrazit) arasında değişmektedir (nem %1-10 arası). • Basit bir metot ile hızla uygulanan kısa analizde – % olarak nem (H 2 O) – Kül – uçucu elementler belirlenir.• Satılabilir bir kömür türünde – kömürün tipine, hazırlanmasına ve kazanılmasına göre • kül oranı % 4-12 arasındadır • Kül bileşiminde SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , CaO, MgO, Na 2 O, K 2 O ve TiO 2 bulunmaktadır.• Kömürlerin elemanter analizinde – karbon, hidrojen, kükürt ve azot oranları ölçülür. – Bu arada dikkat edilmesi gereken nokta sayılan ilk dört element ayrıca kömürdeki mineral bileşimlerinde de bulunmaktadır.• Kömürlerde kükürt oranı yaklaşık %1 dir ve organik olarak veya sülfat şeklinde bağlı durumdadır • bazı halde ise anorganik (pirit) olarak bağlıdır.• Taşkömürünün işlenmesinden sonra koklaşma prosesi için • Karıştırma ve öğütme işlemlerine tabi tutulur. • Buradan kömür bunkerine verilir • Hazırlanan karışım, kömür arabaları ile taşınarak sıcak kömür kamaralarına şarj edilir.• Günümüzde koklaşma proseslerinde çok yaygın olarak yatay kamaralı ve endirekt ısıtma yapan fırınlar kullanılmaktadır. • Fırın kamaraları ortalama olarak 400-500 mm eninde, 4-7.6 m yüksekliğinde ve efektif kullanım kamara uzunluğu 12-17 m’dir. • Bu boyutlardaki 50-60 kömür kamarası bir kömür bataryasını oluşturur.• Kok fırınlarının doldurulması çoğunlukla üst taraftan serbest düşme ile yapılmaktadır • Doldurulduktan sonra sarsıntı ile şarj yüzeyi düzeltilir. • Fırında koklaşma prosesi yaklaşık 20 saat sürmektedir. • Pişirme sonrası kok, kamaradan alınır ve soğutma vagonuna yüklenerek soğutma kulesine getirilir. • Su ile soğutmanın önemli avantajı kömüre istenilen nem oranının ayarlanarak verilebilmesidir. • Soğutulan kok, uzun süre soğumaya bırakılmak üzere kok yükleme silosuna taşınır • Elendikten sonra kullanılır. Kok üretim süreci• Tartılan miktarda kömür kömür haznelerine boşaltılır. • Haznelerden akan kömür yüzeyi düzesiz olarak kamarayı doldurur. • Düzenleme mili ile kamara sarsılır ve düzgün bir kömür yüzeyi elde edilir. • Koklaşma sonrası boşaltma mekanizması devreye girer ve kamaranın her iki kapağı açılır. • Sıcak kok, soğutma arabasına itilerek boşaltılır.Kok oluşum aşamaları a) 600-1100°C kok b) 480-600°C yarı koklaşma c) 450-480°C plastik yumuşama d) 100-350°C yarı gazlaşma e) -100 nemli kok f) Gaz toplanma bölgeleri• 1050-1140 °C sıcaklığındaki kamara duvarlarından ısının yayınması ile nemli kömürde buharlaşma gözlenir. • Koklaşma, böylece kamara duvarlarından başlar ve fırının merkezine doğru ilerler • Fırın duvarlarından merkeze doğru farklı sıcaklık zonları ile farklı yapısal bölgeler meydana gelir. • Oluşan bu bölgeleri belli başlı sıcaklıklara göre sıralamak mümkündür:• 20-100 ºC: Nemli kömür bölgesi, bu bölgenin sıcaklığı suyun buharlaşma sıcaklığı olan 100 °C’e kadar uzanır (e). • 100-350 ºC: Kuru ancak değişime uğramamış kömür tabakası (d). – Bu bölgede kömürleşme süresince yapıda bulunan CO 2 , CH 4 ve N 2 gibi gazlar ile kimyasal olarak yapıda bulunan kristal suyu, kömürden uzaklaşır.• 350-480 °C: Kömürün yumuşaması ve ergimesi (sadece bir kaç mm kalınlığındaki, plastik zon). – Kömür çeşitine göre bu sıcaklık bölgesinde farklı hızlarda termik ayrışma reaksiyonları oluşur – Kömürde istenilen porozite oranı elde edilir. – Yumuşamanın hemen sonrasında, sertleşme reaksiyonları ortaya çıkar.• 480-600 °C: Yarı koklaşma oluşmuştur. – Sertleşme ile büzülme de gözlendiğinden kok yapısında çatlaklar oluşur – Çatlaklar ile yüksek fırında kullanılan nihai kok tane boyutu belirlenir. – Yarı kok yapısında bazı dönüşümlerinde gerçekleştiği bu sıcaklık bölgesinde kok kömürü oluşumu başlar.• 600-1100 °C: Grafit kristal yapısına doğru dönüşüm gerçekleşir – Koklaşma prosesi sona erer.Kok bataryası çıkan gaz bileşenleri ve buna göre koklaşma süresi• Kok gazının bileşiminde zift, amonyak, benzol, H 2 S ve başka değişik gaz bileşikleri bulunur. • Kok gazının işlenmesi ile farklı proseslerde gazdan zift, amonyak ve benzol arıtılır – Genel bileşim CO 2 , C m H n , O 2 , H 2 , CH 4 , N 2 ve H 2 S bileşiklerine dönüştürülür. – Kok gazı, kısmen kok kamaralarının ısıtılması için kullanılır – Diğeri H 2 S’in uzaklaştırılmasından • sonra yakacak gazı olarak (bir tür doğal gaz) kullanılır.• CO 2 C m H n O 2 CO H 2 CH 4 N 2 Isıl Değer • 2 3 0.5 6 58 25 rest 4500 • Kok gazının yaklaşık bileşimi• Kok kömürlerinden beklenen özellikler – Fiziksel – Kimyasal• Fiziksel özellikleri – Porozite – Porozite dağılımı ve boyutları – Aşınma ve mikro mukavemet – Tane boyutu – Reaksiyon yüzey alanı• Kimyasal özellikler – Karbon, hidrojen, azot, oksijen, – kül, alkali elementler, kükürt, fosfor, – su ve uçucu elementlerin miktarları• Kokların Karakteristik Özellikleri – Çarpma, basma, aşınma, parçalanma dayanımı – Tane boyutu – Isıl ve sıcaklık iletkenlikleri. – Por hacmi, boyutları ve dağılımları. – Çatlak boyut ve dağılımları.• Kokların Karakteristik Özellikleri (devam) – Farklı optik özelliklerin dağılım ve miktarları. – Nem oranı. – Uçucu elementlerin oranları. – Kül miktarı ve bileşimi. – Alkali, çinko ve kurşun miktarları. – Element analizleri (C, H, O, N, S). – Isıl değeri. – Reaksiyon kabiliyeti.• 500 kg/t oranındaki kok kullanımı ile yüksek fırın şarjının yaklaşık olarak yarısı kok kömürüne aittir.Kok ve yüksek fırında davranışları• Kok Görevleri – Destek ve taşıma – Reduksiyon gazının oluşturulması – Enerji taşıyıcı – Karbürizasyon – Toz filitresi• Taşıma amaçlı kokun iki görevi bulunmaktadır. – Bunlardan biri homojen gaz sirkulasyonunu yüksek fırının üfleme (tüyere) bölgesinde sağlamak – Diğeri de ergiyen demir cevherinin, hazneye düzenli olarak akmasını sağlamaktır. • Bu görevler, yüksek fırının verimliliği açısından büyük önem taşımaktadır • Kok kömürü bu nedenle alternatifsiz bir hammaddeyi oluşturmaktadır. • Redüksiyon gazının oluşturulması amacıyla kok, kısmen başka yanıcı maddeler ile (örneğin petrol yada kömür tozu ile) yer değiştirilerek denenmiştir • Buna rağmen kok, reduksiyon gazının ana üreticisidir. • Kok, ısıl taşıyıcı olarak önemini kaybetmiştir, buna alternatif olarak tüyerelerden yanıcı gaz üflenmesi ve üflenen hava sıcaklığını arttırmak gibi önlemler alınmış ve uygulanmıştır. Kok kalitesi ve yüksek fırın verimliliğine etkisi• Yüksek fırınların verimlerindeki artışa paralel olarak fırına şarj edilen demir cevherlerinden beklentiler de artmıştır. • Bu nedenle II. Dünya savaşından sonra – İki aglomerasyon yöntemi • peletleme ve sinterleme.Peletleme • Tambur peletlemenin temeli üzerine ilk patent, – 1912 yılında İsveç’te von Anderson tarafından – 1913 yılında Almanya’da Brakelsberg tarafından yazılmıştır.• Peletleme anlam olarak, – çok ince taneli demir cevherininveya benzeri malzemenin – tambur veya platform gibi eğimli bir yüzeyde ve sulu bir ortamda yuvarlanarak – küre şeklinde topaklanması • ve bunu izleyen pişirme işlemiyle yeterli dayanıma kadar sertleştirilmesidir.• Pelet malzemesi olarak – magnetit, hematit, – hematit-magnetit karışımları – veya doğal hematit- ve limonit – ince cevherler ve cevher-konsantre karışımları kullanılmaktadır.• Üretilen peletlerde aranan özellikler – Ezme dayanımı – Aşınma dayanımı – Porozite – Redüklenebilirlik – Redüklenme sırasında şişme durumu – Redüksiyon sonrası basma dayanımı – Yüksek fırının kohezif bölgesindeki davranışları.• Yeşil Pelet Üretimi• Endüstriyel uygulama bulmuş üç peletleme makinası var: – Tambur (en fazla üretim) – Konik. (artık çok kullanılmıyor) – Tepsi (en düşük üretim)• Tambur: Pelet tane boyutu çok geniş aralıkta – Bu nedenle, pelet pişirme sonrası tambur peletlerinde eleme yapmak gerekmektedir. • Tepsi: Peletleme ve tane boyutuna göre peletlerin sınıflandırılması aynı anda – peletleme sonrası eleme işlemine gerek yokPelletizing ? The iron ore can then be manipulated into shapes for shipment. ? The ore is mixed with a clay material called bentonite and is then rolled into pellets by a large drum.• Tepsinin pelet boyutunu sınıflandırması: – Tepsi yüzeyinin yaklaşık % 90’ı peletlenecek malzeme ile kaplıdır. – Tepsi cevherin yuvarlanması ve tepsiye yapışmaması için yeterli bir eğime sahip – Pelet tepsinin dönmesi ile en aşağıdan en üst pozisyona taşınıyor • Sonra tekrar aşağıya yuvarlanır ve çapı da artar • Sınıflama etkisi ise tepsi üzerinde bulunan engellerin peletleri boyutlarına ve dolayısı ile ağırlıklarına göre farklı şekilde yönlendirilmesi sayesindedir.• Yeşil peletlerde parçalanmadan taşınabilme, depolanma ve işlenebilme için – 20-50 N/pelet bir basma dayanımı aranır. • Yeşil pelet özelliklerini etkileyen faktörler: – Cevher taneciklerinin yüzeylerinin bağlanması – Kullanılan sıvının tanecik üzerindeki yüzey gerilimi – Kohezyon ve adhezyon kuvvetleri – Mekanik kuvvetler, sıkıştırılabilirlik – Kimyasal kuvvetler, jel oluşumu (bağlayıcı) – Peletlenecek cevher tipi ve tane boyutu• Peletleme, taneciklerin bir su filmi ile kaplanması ile başlar. • Taneciklerin hızlı hareketleri ile diğer tanecikler birbirlerine yaklaşır ve yapışır. • Yüzey gerilimine göre tanecikler arasında su köprücükleri oluşur. • Peletleme makinasında tanecikler diğer taneler ile sürekli bir kontakt halinde olduklarından ilk aglomerasyonlar (topaklanmalar) meydana gelir.• Pelet küreleri içersinde diğer su köprüleri oluşur ve bunlar tanecikleri bir ağ gibi bir arada tutar. • Daha fazla su köprüsü oluşması ile aglomerat, daha da yoğun bir hale gelir. • Bu kademeden sonra tek tek su köprüleri birleşerek aralarında kapilar kuvvet oluştururlar ve bu kuvvet de peletin gerçek yeşil mukavemetini oluşturur.• Optimal durum suyun, topak yüzeyini tamamen sarması ile kaybolur. • Bu durumda yeşil dayanımdaki düşme, su filmi tarafından oluşturulan kapilar kuvvetlerin yerini, su damlalarının alması ile açıklanır.• Kapilar kuvvet: – tanecikler arasında oluşan • bağlantı kuvveti (kohezyon) • yapışma kuvvetinin (adhezyon) – oluşturdukları toplam kuvvettir. • Topaklanma için su-tanecik arası – adhezyon kuvveti > kohezyon kuvveti• Pişirme • Yeşil pelet dayanımı, redüksiyon prosesi için yetersiz • Bu amaçla, aglomerasyondan sonra sertleştirme uygulanır. • Bu sertleştirme işlemi, demir cevherlerinde çoğunlukla yumuşama sıcaklığının altındaki yüksek sıcaklıklarda pişirme ile gerçekleştirilir.• Şaft fırını: – ters akım prensibine göre çalışır – düşük yakıt sarfiyatı var – Magnetit için 500.000 kJ/ton pelet – Fırında dikey ve yatay kesitte düzgün bir ısıl dağılımı yok (özellikle büyük fırınlarda problem) – Normal bir şaft fırınının yıllık üretim kapasitesi 500.000 ton pelet/yıl civarındadır.• Konveyör bant-döner fırın kombinasyonu • Yakıt sarfiyatı – magnetit cevherler için 250.000-300.000 kJ/ton pelet – hematit cevherler için ise 850.000-1.000.000 kJ/ton pelet • Şaft fırınına göre daha uygun ve esnek üretim mümkün • Lurgi-Dravo’ya göre avantajları sınırlı• Döner fırın prosesinin kontrolü, diğer fırınlara göre daha kompleks • cevherin fırın duvarlarına yapışarak çember şeklinde tortu oluşturma tehlikesi var • 400 m 2 ’lik bant yüzeyinde ve 2200 m 3 ’lük döner fırın hacmindeki bir sistemin kapasitesi 5.000.000 ton pelet/yıl’dır.• Lurgi-Dravo Fırını – rekuperasyon prensibi ile oldukça düşük yakıt sarfiyatı var – Rahatlıkla kontrol edilebilen palet hızları ve ayarlanabilen üfleme debileri nedeniyle bu tip fırınlarda çok farklı özelliklerde peletlerin pişirilmesi mümkündür. – 5 m eninde ve 1000 m 2 ’lik toplam yüzey alanına sahip bir fırınının yıllık kapasitesi 9.000.000 ton pelet/yıl civarındadır • Peletleme için magnetit cevher seçilir • Zira pişirme sırasında – Fe 3 O 4 (magnetit) Fe 2 O 3 (hematit) şekline oksitlenir. – Bu oksitlenme sırasında 55 kcal/mol ısı açığa çıkar – Açığa çıkan bu fazla ısı nedeniyle, pelet üretiminde % 55’i magnetit cevher kullanılır– Magnetit cevherler için pişirme sırasında 4 ana bağlantı mekanizması vardır1 numaralı hematit bağı • 200-300 °C arasında magnetit kristallerinin köşe ve uç bölgelerinde hematit kristalleri oluşur. • Oksidasyon ile tane yüzeylerinde atomların hareket hızları artar • Böylece tanelerin birleşme kabiliyeti artar • Bağlar meydana gelir • Bağlar hematit ama cevher içi magnetit2 numaralı hematit bağı • 1100-1200 °C arasında • Ortamda yeterli oksijen olması halinde – Fe 3 O 4 ? Fe 2 O 3 ’e tamamen okside olur • Kristaller arasında rekristalizasyon • Hematit taneleri büyür • Çok güçlü bağlar oluşur3 numaralı magnetit bağı • 900 °C’den sonra • Ortamda yetersiz hava varsa – (yada redükte edici katkılar ile) • doğrudan magnetit rekristalizasyonu olur • cevher taneleri birleşir4 numaralı curuf bağı • 1000 °C’dan sonra • Ortamda SiO 2 ve FeO varsa • curuf bağları ortaya çıkar. • Ancak curuf bağları, cevher kristalizasyonu ile sağlanan bağ kuvvetlerine göre daha zayıf ve kırılgandır.• Pelet redüksiyonunun büyük bir kısmı yüksek fırında yada direkt redüksiyon prosesinde gerçekleşir. • Hematit peletlerde şişme iki kademede oluşur. • Birincisi hematitin magnetite redüksiyonu sırasında meydana gelen hacimsal değişimden kaynaklanır. • Burada hegzagonal olan hematit kristal kafesi, kübik magnetit kristal kafesine dönüşür. • Buradaki hacimsel değişim % 15 civarındadır. • Redüksiyon hızı hegzagonal kafesin c-eksenine dik yönde diğer yönlere göre daha hızlı olduğundan hacim değişimi de anizotrop olur. • Anizotropik redüksiyon, belli kristal yönlerinde çatlamaları da beraberinde getirir • Böylece peletlerde redüksiyon sırasında dayanç kaybı oluşurSinterleme• Sinterleme aglomerasyon yöntemidir. • Bu yöntem – 19. yy’nın son yarısında – peletleme yönteminden 20 yıl önce geliştirilmiş. • Günümüzde sinterleme, demir cevlerlerinin aglomerasyonunda en çok kullanılan yöntemdir.• Dünya ortalaması – demir cevherlerinin % 50’si sinterleme ile hazırlanmaktadır. • Avrupa’da yüksek fırınlarda kullanılabilen türdeki cevherin – % 70’i sinterleme – % 16’sı peletleme – % 14’ü ise parça cevher türündedir.• Sinterlemeye karışımı – Fe taşıyıcılar (cevher, baca tozu, tufal v.b.) – katı yanıcı maddeler (kok tozu) – Su (nem) – katkı maddeleri (curuf, kireçtaşı) – geri dönen sinter (tane boyutu küçük).sinter karışımı Sinter Ham Karışımının Bileşenleri (%) Cevher Dolaşım Maddeleri Katkı Maddeleri Artıklar Toplam 55.5 4.8 12.7 27.0 100 Sinter Karışımı (%) Sinter Ham Karışımı Kok Tanecikleri Nem 92.1 2.3 5.6 Cevher • Ham Karışımın yaklaşık % 50-60’ını oluşturur • Tane boyutu 0-10 mm gibi geniş bir aralıktadır • Sinter karışımlarında hematit veya magnetit demir cevherlerinin her ikisi de kullanılır. – Magnetit kullanımında oksidasyon ısısı var • yakıt miktarı (kok tozu) azalır.Dolaşım Maddeleri • demir çelik tesisinde üretim sırasında açığa çıkan yan maddeler % 4.5-5.0 oranındadır – yüksek fırın ve çelikhane tozları • çelikhane tozları Zn ve Pb içerir • Döngü elementleri – hadde tufalı • yağ içerir. • elektro filitreleri kirletir – Sinter baca tozlarıAvantajları • yüksek fırın baca tozu C içerir – Yakıt azalır • Hadde tufalı da yüksek oranda Fe ++ içerir – oksidasyon ısısı verir.İlaveler • Sinterin % 10-15’ini oluşturur – kalk, dolamit ve olivin. • Yüksek fırın curufunun bileşimini ayarlar • Sinter sıcaklığını düşürür (CaO ile) • Sinter verimini arttırırSinter artığı • 6.3 mm boyutunun altındaki sinter • yüksek fırında kullanılamaz (çok küçük) • Geri döner, sinter karışımına katılır • ham sinter karışımının % 25-30’unu oluşturur.• Sinter artığı – Pişirme – yüksek fırına taşıma – Tamamlanmamış sinter işlemi ile oluşur • Sinterlenmiş ve sinterlenmemiş sinter artığını birbirinden ayırmak gerekir. • sinterlenmemiş sinter artığı – gaz geçirgenliği düşük – yetersiz yanıcı madde – yetersiz hava olduğu durumlarda oluşur. – Bu tip artık sinterin ham karışıma katılmasının etkisi yoktur.• Sinterlenmiş sinter artığı etkileri – Kristalizasyon için çekirdek görevi görür ve ergime sıcaklığını düşürür – Yakıt miktarını azaltır – Sinter karışımının gaz geçirgenliğini arttırır – Redüklenebilirliği, por oluşumunu ve oksidasyon derecesini arttırır.Yanıcı İlaveler • sinter karışımının % 2-4’ünü oluşturan kok tanecikleridir. • Karışımda bulunması gereken yakıt miktarı istenilen sinter sıcaklığına ulaşmak için gerekli ısı miktarının belirlenmesi ile ile hesaplanır. • Bunun yanında yeterli sinter dayanımına ulaşmak için ek ısı, dolayısıyla yakıt miktarı gözönünde bulundurulmalıdır.• İyi bir sinter yakıtının özellikleri şunlar olmalıdır: – Düşük miktarda uçucu maddeler – Düşük kül ve kükürt oranı – Yüksek yanma ısısı (yani baca gazındaki CO/CO 2 oranı düşük –yüksek CO 2 – olmalıdır) – Yeterli reaksiyon kabiliyeti – 0.5 mm’nin altındaki tane boyutu mümkün olduğu kadar az olmalıdır• yanıcı ilaveler optimum olmalı • Bu miktarın gerekenden fazla olması halinde sinter karışımında ergimeler olur – gaz geçişini engeller – sinter verimi – oksidasyon derecesi – sinter dayanımı düşer. • Yetersiz yakıt kullanılması halinde de istenilen sinter sıcaklıklarına ulaşılamayacaktır.Nem • Sinter karışımının yaklaşık % 5-10’u nemdir • cevherin bağlanma (topaklanma) özellikleri arttırılır • sinter karışımının gaz geçirgenliği artar • sinterlenme hızı • Fazla miktarda kullanılan nem ise çamur oluşumuna ve sinter karışımının özellikle alt tarafında gaz geçişini engeller.Sinter bandı • Sinter karışımı banda verilmeden önce band üzerine yaklaşık 3 cm kalınlığında ve 15-25 mm tane boyutunda sinterlenmiş bir tabaka şarj edilir. • Bu tabakanın görevleri şunlardır: – Sinter band malzemesinin oksitlenmesini önlemek – Baca gazlarındaki toz oranını azaltmak – Sinterin banda yapışmasını önlemek – Sinter tabakasında homojen gaz dağılımını sağlamakSinter makinasının teknik özellikleri Band Genişliği (m) Band Uzunluğu (m) Emme Alanı (m 2 ) Sinter Verimi (ton/m 2 · gün) Üretim Miktarı (ton Sinter/gün) Band Hızı (m/dak) 4 100 400 40 16.000 5-9 • katı yakıt, – tutuşturma fırını ile yanmaya başlar • Sinterleme boyunca ayrıca karışımın içinden geçen hava emilir. • Bu hava ve oluşan gazlar elektrofiltrelerde temizlendikten sonra bacaya verilerek atılır.• Sinter bandının sonunda banttan boşaltılır ve 250 mm tane boyutuna kaba olarak kırılır • sıcak halde iken elenir ve soğumaya bırakılır. • Soğumuş sinter, 50 mm tane boyutuna elenir, • elek üstü kalibre kırıcılarda 50 mm tane boyutuna kırılır.• Üretilen tüm sinter 6.3 mm’e elenir. • Aynı zamanda 15-25 mm’lik ham sinter altına yerleştirilecek sinter ayrılır. • Eleme işlemi bittiğinde sinter için aşağıdaki tablodaki tane boyutları ve kullanım yerleri ortaya çıkar: Geri Dönen Sinter (mm) Sinter Altı (mm) Yüksek Fırın Sinteri (mm) 0-6.3 15-25 6.3-50 • Sinter sonu ayrıca gaz bileşimine göre de belirlenebilir. • Proses sonunda O 2 oranı artarken CO 2 ve CO oranları sıfır’a soğru düşüş gösterir.• Sinter karışımı yüzeyden yakıldıktan sonra oluşan alev zonu havanın akış yönüne paralel olarak ilerler. • Yaklaşık 5-6 dakika sonra karakteristlik bir sıcaklık dağılımı ortaya çıkar. • Sinterleme bölgesinin üzerinde bulunan sıcak sinter emilen hava ile soğur • bu hava da aynı zamanda ısınır. • böylece alt taraf ısınırYüksek Fırın Teknolojisi • Sinter, pelet veya parça demir cevherleri yüksek fırınlarda redüklenir ve ham demir haline getirilmektedir.• Yüksek fırın sürekli ve ters akım prensibine göre çalışan dikey (schacht) bir fırındır. • Şarj edilen ve cevher, kok ve katkı maddelerinden oluşan hammaddeler yukarıdan aşağıya doğru inerken, aşağıdan üflenen hava ile yanan kok ile oluşan redükleyici gaz aşağıdan yukarı doğru çıkar.• Yüksek fırının ana ürünleri yüksek oranda Fe içeren ham demir (As, C, Cr, Cu, Mn, Ni, P , S, Si), curuf ve baca gazlarıdır.Yüksek Fırın Şarjı • Yüksek fırın prosesinin verimi ve ham demirde istenmeyen elementler açısından S, Pb, Zn, ve alkali elementlerin miktarı mümkün olduğu kadar düşük olmalıdır.• Proses süreecinde oluşan curuf – mümkün olduğu kadar düşük ergime sıcaklığına, – yeterli bir vizkositeye ve – proses dışında kullanımı için (örneğin çimento hammaddesi) uygun bileşime sahip olmalıdır.• Şarj Hammaddeleri (cevher, katkı ve yakıt) – Cevher, pelet ve sinter – Kireçtaşı (CaCO 3 ) – Dolomit (MgCO 3 · CaCO 3 ) – Kum (SiO 2 ) – Metalurjik Kok• Yüksekfırın kok’u (metalurjik kok) yaklaşık 28000 kJ/kg civarında bir ısıl değere sahiptir, içeriğinde – % 80 C, – % 10 kül – ve % 6 nem (H 2 O) – 40-60 mm’lik homojen tane boyutu, – yüksek dayanım ve yüksek aşınma direnci. – Kok tane boyutu cevherin 4 veya 2 katı olmalıdır.• Yüksek fırın şarj bölgesinde değişmeli olarak kok ve cevher ile beslenir. • Kenarlarda kısmen karışma olsada cevher ergiyene kadar şarj katmanlı yapısını korur. • Şarjın yüksek fırında toplam kalma süresi 6-8 saattir.• Yüksek fırın aşağıdan yukarıya aşağıdaki bölümlere sahiptir – hazne – tüyere – karın – gövde– Hazne çapı yüksek fırın yapısını belirleyen önemli kriterlerdendir ve refrakter ile örülü haznenin iç çapı olarak tanımlanır. – Hazne çapı yüksek fırının üretim kapasitesini belirler. – Günümüzde kullanılan yüksek fırınlarda hazne çapları 14 m’ye kadar ulaşmaktadır.• Hazne yüksekliği – iç tabandan tüyere bölgesine kadar yükseklik• Oksijen ve farklı yakıt karışımlarının fırın içersine üflendiği tüyere bölgesinin yüksekliği ve genelde karın çapı olarak verilen tüyere çapı belirli bir hazne çapı için üfleme açısını belirler. • Tüyere ve gövdeyi birbirine birleştiren karın silindirik bir bağlantı bölgesidir.• Gövdenin en önemli boyutları yüksekliği ve gövde açısıdır. • Gövdenin en dar bölgesi baca ile bağlantı bölgesidir ve baca çapını belirler. • Fırın sızdırmazlığını sağlamak ve homojen şarj dağılımını sağlamak amacı ile baca çapı mümkün olduğu kadar küçük seçilmelidir.Yüksek Fırın Profili • Şarjın ve gazların düzgün hareketinin sağlanması • hatasız bir proses akışı • yüksek fırın profilinin seçimi önemli.• profile etki eden kriterler – ısınan ve aşağıya doğru hareket eden şarj – meydana gelen reaksiyonlar – yumuşama ve ergime sırasında meydana gelen hacım değişimleri – kok’un yanması – sıvılaşan bileşenlerin haznede toplanması – artan sıcaklık ile artan gaz hacmi • baca bölgesinde soğuma ile tekrar azalması – boş bölgenin (ölü adam bölgesi) biçimi• ısı ve madde taşınımı gaz akışkanlığına bağlı • Redüksiyon sürecine cevherin redüksiyon bölgesinde kalma süresi etki eder. • Yüksek fırın profilinin tasarımında belirli hazne çapı için yeterli bir profil yüksekliği ve çapı gereklidir – bu aynı zamanda fırının effektif olarak kullanılan hacmini belirler. • Bu profile yeterli hazne ve tüyere yüksekliklerinin yanında çok eğimli olmayan tüyere bölgesi • mümkün olduğu kadar büyük karın çapı • bu çapa uygun karın yüksekliği • hazne ve karın çaplarının oranına bağlı olarak yeterli çapta bir baca bölgesi ile ulaşılabilir.• Profil dizaynında ayrıca gaz akışkanlığı önemli – gazların yukarı çıktığı ve genelde tıkanmaların oluştuğu – ters yönden gelen sıvı curuf ve ham demir – bölgelerdeki kritik gaz akış hızları yüksek olmalı • Yüksek verim için fırın kesiti önemli• fırın kesitinde redüksiyon gazının cevherin endirekt redüksiyonu yeterli reaksiyon süresi • Bu da fırın yüksekliğine bağlı• Redüksiyon gazının ve şarjın hızları homojen değildir • Fırın kesitine bağlı olarak değişir – Fırın çapı ile artar – Bu yüzden fırın çapı ile fırın yüksekliği de arttırılmalıdır. – Sınır hazne çapının üzerine çıkmamak kaydı ile fırın yüksekliğinin fırın çapına göre artışı çok azdır.• Fırın yüksekliğini belirleyen diğer faktörler – şarjın özellikleri • kok, sinter, pelet ve parça cevherin mukavemetleri • artan sıcaklık ile şarj ağırlığında meydana gelen değişimlerdir.• Bunun dışında gövdenin konikliği yani koniklik açısı da özellikle gaz geçişi açısından önemli bir parametredir. • Bu açının küçülmesi ile – şarj daha yavaş hareket eder – fırın duvarları arasındaki sürtünme kuvvetleri artar – toplam şarj basıncı azalır. – Koniklik açısı küçüldükçe fırın duvarlarına basınç daha yüksek olur – şarj kendisini daha kolay taşıyabilir. – cevher tane boyutu ne kadar küçük – oluşturulan curufun spesifik miktarı ne kadar fazla – ise koniklik açısı o kadar küçük seçilmelidir.• Ancak bu açı çok küçük seçilirse • fırın duvarlarında gaz kanalları oluşur • basınç, sıcaklık dengesizliklerine yol açar. • Yüksek fırın gelişimi sol 2000t/gün • Sağ 12000 t /gün • Fırın gelişimi hacim yönünde (hazne 1 metreden 14 metreye gelişiyor)• Yüksek fırın parametre ölçümleriYüksek Fırın Konstrüksiyonları • Prensip olarak iki farklı yüksek fırın konstrüksiyonu vardır. – Taşıyıcılı (Alman Konstrüksiyonu) – Taşıyıcısız (Amerikan – İngiliz- Konstrüksiyonu) Taşıyıcılı Yüksek Fırın Konstrüksiyonu • fırının kaplama sacı taşıyıcı çember veya gövde taşıyıcı kirişleri olmaksızın tamamen serbest inşaa edilir. • Fırın gövdesi ile baca arasında birleştiriciler bulunmaktadır. • Ayrıca taşıyıcı gövdeye kontrol platformu, baca platformu ve vinçler ile bunkerler ve cevher ve kok taşıyıcı bandlar da ilave edilmiştir.Taşıyıcısız Yüksek Fırın Konstrüksiyonu • taşıyıcı bir çember ve gövde taşıyıcı kirişler bulunur. • Kontrol platformu, baca platformu, baca üstü konstrüksiyonlar, cevher ve kok taşıyıcı bantlar gibi tüm ilave yükler gövde sacı ve taşıyıcı çember ile taşıyıcı kirişlere iletilir • bu kirişler ayrıca sıcak hava üfleyici pompaları ve çalışma platformunun yüklerini de taşımalıdır.a) Alman Konstrüksiyonu b) Amerikan Konstrüksiyonu Taşıyıcılı Konstrüksiyon. Taşıyıcısız Konstrüksiyon. Fırın Gövdesi ve Fırının Üst Bölümünün Yükü Taşıyıcı Tarafından Taşınır. Fırın Gövdesi (Gövde Sacı) Fırının Üst Bölümü ile Baca Bölümünün Yüklerini Taşır. Fırının Gövde Yükü Taşıyıcı Çember ile Kirişlere Aktarılır. Gövde Sacı Taşıyıcı Çember ile Doğrudan Taşıyıcı Kirişlere Dayanır. Fırın Gövdesi Taşıyıcıya Bağlıdır. Fırın Gövdesi Alttan Desteklidir. Hazne ve Tüyere Bölgesi Kendi Ağırlıklarını Temele İletir. Hazne ve Tüyere Bölgesi Kendi Ağırlıklarını Temele İletir. Yüksek basınç ile Çalışma • Yüksek Basınç ile Modern yüksek fırınlarda verim artışı sağlamak amacı ile yüksek basınçlar altında üretim yapılır. • Baca bölgesinde 1.5-2.5 bar, tüyere hizasında ise 4-5 bar’lık yüksek basınçlar uygulanır. • Yüksek basınç ile gaz geçiş hızları düşürülerek gaz-cevher arasında daha uzun temas zamanlarına ulaşılarak gaz kullanma veriminin artmasına toz miktarının azalmasına neden olunur. • Yüksek basınç sayesinde ayrıca sıcaklık ve gaz dağılımı daha homojen hale getirilir ve tıkanma oluşumları da önlenebilir. • Fırın basıncının atmosfer basıncının üzerine çıkarılması için bazı konstrüktif önlemlere gerek vardır. • Ulaşılabilecek basınç bir yandan sıcak hava üfleme sisteminin verimine ve diğer yandan da baca bölgesinin sızdırmazlığına bağlıdır bu amaçla baca Kapak Sistemleri kullanılır.Yüksek Fırın Refrakterleri • Yüksek fırının içinin refrakter ile kaplanması yüksek fırın dfış kaplama sacının sıcaklık ve kimyasal reaksiyonlardan koruma amaçlıdır. Ayrıca dış kaplama yüzeyi soğutulduğu için fırın içersinde ısı dengesini bozmayacak şekilde yalıtma görevini üstlenmelidir.• Genel olarak yüksek fırın refrakterleri için aşağıdaki, kriterler geçerlidir: – Sabit hacim – Aşınma ağırlık ortamda çalışma kabiliyeti – Yüksek yoğunluk, düşük porozite – Termal soklara karşı yüksek dayanım• Minerolojik bileşime göre farklılık gösteren refrakter malzemeler şunlardır: – Şamot – Karbon Esaslı Tuğlalar – Grafit Esaslı Tuğlalar – Korund (Al 2 O 3 ) – Müllit (3Al 2 O 3 ·2SiO 2 ) – Silimanit (Al 2 O 3 ·SiO 2 ) – Farklı Şekilde Bağlanmış Silisyumkarbür (SiC)Yüksek Fırın Refrakterlerinin Aşınma Nedenleri Yüksek Fırın Bölgesi Aşınma Türü Taban/Hazne Kimyasal Aşınma ? Hamdemir ? Alkali elementler ? Curuf Termal Şok Erozif Akış Tüyere Kimyasal Aşınma ? Oksidasyon ? Hamdemir ? Curuf ? Alkali Elementler, Zn ve Pb Termal Şok Mekanik Aşınma Kok Kemeri Kimyasal Aşınma ? Oksidasyon ? Hamdemir ? Alkali Elementler, Zn ve Pb Termal Şok Mekanik Aşınma ? Toz ile Karışık Gaz Çıkışı Gövde Mekanik Aşınma ? Cevher ve Kokun Çarpması ? Sürtünme Aşınması