View
234
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
DEMİR-ÇELİK METALURJİSİ (DERS NOTU)
Doç. Dr. ÖZKAN ÖZDEMİR
Doç. Dr. UĞUR ÖZSARAÇ
2015
Pota Metalurjisi
(Ladle Metallurgy, Secondary Metallurgy, Secondary Refining)
Çelik üretimi ile döküm arasında yer alan kritik bir aşamadır ve ayrı bir istasyonda uygulanan son çelik yapım işlemlerini kapsar.
Fırında yapılan normal alaşımlama veya döküm alma sırasında potada yapılan alaşımlama işlemleri pota metalurjisi kapsamında sayılmaz.
Arzu edilen çelikteki kimyasal kompozisyonu sağlamak ve müşteri taleplerini karşılamak üzere çelikteki bazı elementlerin giderilmesi bazılarının ise ortama ilave edilmesi gerekmektedir.
Çelik içinde bulunan zararlı empüriteler kükürt, fosfor, oksijen, hidrojen ve azottur.
Pota metalurjisinin önemli amaçları;
Sıcaklığın homojenleştirilmesi veya ayarlanması,
Karbon, kükürt, fosfor, oksijenin kimyasal ayarlaması, hassas alaşımlama,
İnklüzyon (kalıntı) kontrolü,
Gaz giderme ve diğer işlemler.
Pota metalurjisi için kullanılabilecek donanım ve yöntemler de çok farklı olabilir. Pota işlemleri, ısıtmalı veya ısıtmasız yapılabildiği gibi, atmosferik basıçta veya vakum altında, katı ve/veya gaz enjeksiyonu ve karıştırma ile yapılabilir.
POTA METALURJİSİNİN TARİHÇESİ
1950 öncesi çelik Siemens-Martin, converter veya elektrik fırınlarında üretildikten sonra potada
yapılan işlemler oksijen giderme, gerekli miktarda kok ilavesi ile karbon verme (carburization)
ve bazı tali alaşım elementlerinin ilavesinden ibaretti. Ancak çelik kalitesi ve kalite istikrarı için
yoğun talepler giderek çelik yapım fırınlarının kapasitelerinin çok üzerinde kontrollere ihtiyaç
göstermiştir.
Bunun sonucunda çeliğin pota işlemlerine oksijen giderme işlemine ek olarak değişik işlemler
geliştirilmiştir. Bu işlemler o kadar yaygınlaştı ki, sonunda sekonder çelik yapımı, pota
metalurjisi, sıvı çelik sekonder işlemleri veya sıvı çelik sekonder rafinasyonu gibi değişik isimler
altında çok sayıda yöntem geliştirildi.
Bu tanımlamalardan pota metalurjisi ve sekonder çelik yapımı en yaygın kullanılan
tanımlamalar haline gelmiştir.
Çelik içinde bulunan zararlı empüriteler kükürt, fosfor, oksijen, hidrojen ve azottur. Bunlar
demir kafesi içinde arayerlere yerleştiğinden arayer atomları adı ile de bilinir. Bu empüritelerin
çelik üzerindeki en önemli etkileri süneklik, darbe dayanımı ve korozyon direncini
düşürmeleridir. Oksijen ve kükürt ayrıca çelik içinde bulunan ve inklüzyon olarak bilinen
metalik olmayan taneciklerin de kaynağıdır. Bu kalıntılar (inklüzyonlar) da çelik özellikleri
üzerinde zararlı olduğundan mümkün olduğunca çelik içinden uzaklaştırılması gerekir. Karbon
da benzer bir arayer atomudur, ancak genellikle zararlı bir empürite olarak kabul edilmez ve
şartnameye uygun miktarda bulunması gerekir. Ancak günümüzde karbonun da olabildiğince
düşük olması gereken yeni çelik türleri geliştirilmiştir.
Pota metalürjisi genellikle;
Dar kimyasal bileşim aralığında çalışabilme yeteneği,
Hassas sıcaklık ayarı,
Kimyasal bileşim ve sıcaklık homojen dağılımı,
Yapay cüruf uygulaması ile daha etkin arıtma,
CaSi tel besleme sistemi ile ideal deoksidasyon,
Dipten gaz üfleme ile kalıntıların giderilmesi ve daha
temiz çelik üretimi sağlanmaktadır.
Geleneksel çelik yapım yöntemlerinde istenen çelik cinsi tek bir üretim ünitesinde
gerçekleştirilmekteydi. Bunun sonucu ergitme ve rafinasyon süreleri uzundu ,ayrıca çelik
yapım donanımının üzerine büyük gerilimler yükleniyordu.
Yeni yöntemlerde çelik üretimi primer (birincil) ve sekonder (ikincil) çelik yapım süreçleri
şeklinde ikiye ayrılmış, çelik yapımı çok daha ekonomik hale gelmiştir.
Birincil çelik yapımı aşamasında şarj ergitilmekte, C ve P oksitlendikten sonra metal bir
potaya alınmaktadır. Burada çelik düşük sıcaklıkta tutularak astar ömrü ve verimlilik
arttırılmaktadır. Yüksek kaliteli bir çelik üretimi için gereken bütün metalurjik işlemler bu
potada gerçekleştirilmektedir.
Pota Metalurjisi Donanımının İşlevleri
Pota içindeki çeliğin homojenleştirilmesi amacıyla asal karıştırıcı gazın verilmesi,
Alaşım elementlerinin hassas olarak ilavesi, yüksek alaşım verimi ve kimyasal bileşimin sıkı toleranslarda sağlanması,
Hidrojen, oksijen, azot ve karbonun düşürülmesi,
Özellikle kükürt giderme amacıyla toz malzemelerin enjeksiyonu,
Mikro-alaşımlama ve kalıntı şeklinin kontrolü için taneli veya tel şeklindeki çeşitli malzemelerin beslenmesi,
Elektrodlar aracılığıyla verilen elektrik enerjisi veya alternatif olarak, alüminyum ile oksijenin verdiği ekzotermik reaksiyonlardan faydalanarak çeliğin ısıtılması.
Pota Metalurjisinin Getirdiği Teknik ve Ekonomik Üstünlükler
Çelik tesisi veriminin arttırılması,
Ergitme ünitesi (EAF veya BOF) nin dökümden döküme geçen süresinin azaltılması,
Birincil enerji tüketiminden tasarruf,
Ferro alaşımlar ve ucuz şarj malzemelerinin kullanılabilmesi,
Dökümden döküme aynı çelik kalitesinin sağlanması,
Çok temiz çelik üretilebilmesi,
Yeni çelik kalitelerinin geliştirilmesi,
Düşük bakım maliyetleri,
Üretim sürecinde yer alan bütün ünitelerin daha iyi koordine edilmesi,
Çalışan personel için daha iyi bir ortam oluşturulması.
Çelik Kalitesi Talebindeki Gelişmeler
Zaman geçtikçe alıcılar daha iyi kaliteli çelikler talep etmektedir. Bunun anlamı;
1. Daha az safsızlık (empürite),
2. Daha temiz (daha az kalıntı),
3. Daha sıkı bir kalite kontrolü yani dökümden döküme daha az değişim,
4. Daha iyi özellikler verebilmek için mikro-alaşımlama (karbon ve düşük alaşım
çeliklerinde),
5. Daha iyi yüzey kalitesi ve homojenlik, demektir.
Yukarıda sayılan talepler aşağıda sayılan diğer taleplerle birlikte çelikçiler topluluğuna
büyük yükümlülükler getirmektedir;
a) Polimerler vb malzemelerden gelen rekabet nedeniyle maliyetlerin düşürülmesine
duyulan ihtiyaç,
b) Çevre kirlenmesinin kontrolü,
c) Nisbeten duragan bir dünya çelik piyasası.
Herhangi bir pota metalurjisi yöntemi uygulanmadan, günümüz teknolojisi ile ve bir metal
önişlemi uygulansa bile elde edilebilecek en düşük safsızlık düzeyleri aşağıdaki kadardır:
• Kükürt 100 ppm,
• Fosfor 20 ppm,
• Azot 40 ppm,
• Hidrojen 5 ppm,
• Karbon 400 ppm,
• Oksijen çok değişken; Potada yapılacak geleneksel oksijen giderme ile oksijen 30 ppm
altına düşürülebilir.
• Dolayısıyla S+0+P+N un en düşük toplam değeri 200 ppm , karbon dahil edilirse 600
ppm civarında olacaktır.
Kalite konusundaki talep değişimi ise bir örnek olarak Kuzey Denizi gaz boru hatlarında
istenen çelik kalitesindeki Değişimi özetleyen yukarıdaki tablo ile gösterilebilir. Yine
yukarıdaki grafikte Japon çelik işletmelerinde elde edilen safsızlık miktarlarındaki değişim
görülmektedir. Son yıllarda otomobillerde kullanılan çok düşük karbonlu (C miktarı
30ppm altında) sürekli tavlama ve soğuk haddeleme ile üretilen çelikler de iyi bir gelişim
örneğidir. Bu çeliklerde sadece çok düşük oranda C olmayıp, diğer safsızlıklarda da çok
düşük düzeyler sözkonusudur; Azot 15 ppm den az, kükürt 10ppm,fosfor 15 ppm, hidrojen
2 ppm den az. Ayrıca kalıntı miktarı da normal çeliklere kıyasla çok daha düşük düzeyler
dedir.
1. POTA FIRINI (LADLE FURNACE , LF): Pota fırını birçok sekonder (ikincil) arıtma
işleminde temel ergitme donanımı olarak kullanılır ve başlıca işlevleri şunlardır;
Grafit elektrodlarla iletilen elektrik enerjisi ile sıvı çeliğin yeniden ısıtılması,
Asal gaz karıştırma yöntemi ile çeliğin sıcaklık ve bileşiminin homojenleştirilmesi,
Refrakterleri ark zararlarından koruyan, ısıyı sıvı çelik üzerinde yoğunlaştıran inklüzyon
ve metal oksitlerini tutan ve kükürt giderme ortamını oluşturan bir curuf tabakasının
oluşturulması.
Pota fırını işlevleri arasında sayılabilecek ikincil işlevler;
Kimyasal kontrol için yapılacak alaşım ilaveleri,
Gaz giderme veya inklüzyon yapısının kontrolü için çekirdekli tel ilavesi,
Etkin bir kükürt giderme şartlarının sağlanması,
Fosfor giderme şartlarının sağlanması.
Geçirgen tapanın (porous plug) temel işlevi
homojenleştirmeyi arttırmak için ergimiş çeliğin
gazla karıştırılmasıdır. Normal karıştırma işlemleri
potanın tabanına konan bir tapa düzeninden argon
gazı verilerek sağlanır.
Potadaki tapa devresinin geçici olarak kullanım
dışı kalması halinde banyo karışmasının takviye
edilmesi amacıyla üstte ek bir sistem bulunur. Pota
transfer arabası üzerine konduğu zaman potaya gaz
girişi otomatik olarak başlatılır.
Pota fırınında ısıtma ve alaşımlama sırasında
ortaya çıkan gazlar ve tozlar su soğutmalı pota
tavanındaki delikler yardımıyla yanda bulunan
doğal çekişli toz toplama davlumbazı ile toplanır.
Pota tavanı mevcut potaların üst kısmını tamamen
kapatacak şekilde tasarlanmıştır.
2.VAKUM TANKI GAZ GİDERİCİSİ (Vacuum Tank Degasser , VTD)
VTD (Vakum Tank Gazgidericisi sıvı çelik içinde çözünen gazların (H2,N2,O2)
konsantrasyonlarını düşürmek için kullanılır.Ayrıca sıvı çelik bileşimini ve sıcaklığını
homojenleştirir ,sıvı çelik içindeki oksit inklüzyonlarını ayırır ve son kükürt giderme için
istenen teknik şartları oluşturur.
3.AOD (Argon-Oxygen Decarburization ) Yöntemi :
AOD hurda veya temiz malzemelerin önce bir ark veya indüksiyon ocağında ergitilip
daha sonra özel bir AOD ünitesinde karbonsuzlaştırılıp rafine edildiği dupleks bir
yöntemin bir parçasıdır. Alttaki tüyerler ve üstteki lanstan verilen, argon veya azot ile
karışık kontrollü bir oksijen enjeksiyonu ile, istenmeyen metalik oksitlenmeleri en düşük
düzeyde tutarak sıvı metalin karbonunu yakar.
Oksijen giderme, kükürt giderme (düşük alaşımlı çeliklerde fosfor giderme) ve istenen
metallerin curuftan geri alınması AOD ünitesinde sağlanır. İşlemin bütün aşamalarında
temiz ve üniform bir ürün elde edebilmek için gaz giderme, homojenleştirme ve kalıntı
yüzdürme sürekli olarak gerçekleştirilir.
4. RH Gaz Giderme Yöntemi
RH yöntemi özellikle BOF çelik
tesislerinde yaygın olarak
kullanılan, kapasiteleri 400 tona
kadar çıkabilen, döküm alma
süreleri oldukça kısa ve
sirkülasyonlu bir gaz giderme
sistemidir.
Kalıntılar (inklüzyon) ve Sınıflandırılması
Çelik içinde bulunabilecek tüm oksit, sulfur, nitrür ve fosfor gibi metalik olmayan
bileşikler kalıntıları (inklüzyon) oluşturur. Tüm çeliklerde kalıntı az veya çok, mutlaka
bulunur. Metalik olmayan bu kalıntıların türü veya görünümü; çeliğin cinsi, ergitme
yöntemi, pota metalurjisi işlemleri ve dökümü gibi değişik etkenlere bağlıdır.
Bu nedenle çeliğin ne kadar temiz (saf) olduğunun belirlenmesi çok önemlidir. Çelik
temizliği kavramı, sadece 1 ppm oksijen ve 1 ppm sulfür içeren bir çeliğin bir tonunda
bile 1 milyar ile 1 trilyon arasında kalıntı bulunabildiğinden, göreceli bir kavramdır. Bu
yüzden salt temizlik açısından bakıldığında bütün çelikler “kirli” dir.
Çelik içindeki metalik olmayan kalıntılar, kırılganlık ve çok değişik çatlak oluşumları
gibi, tehlikeli ve ciddi malzeme hatalarının en önemli nedenlerinden biridir. Ancak, bu
kalıntılardan bazıları özellikle düşük karbonlu çeliklerde ostenitten ferrit fazına dönüşüm
sırasında iğneli ferriti çekirdeklendirmek suretiyle çelik özelliklerine olumlu etki de
yapabilir. Bu tanıma göre, metalik olmayan kalıntılar metalin çelik ve alaşım içinde kalan
ve ayrı parçaları gibi görünen metalik olmayan elementlerle oluşturduğu kimyasal
bileşiklerdir.
Metalik olmayan kalıntılar; kimyasal ve mineralojik bileşimleri, kararlılıkları ve
orijinlerine göre sınıflandırılır. Kimyasal bileşimleri itibariyle kalıntılar aşağıdaki gruplara
ayrılırlar:
Oksitler (basit : FeO, MnO, Cr203, TiO2, Al203 vb.
kompleks oksitler: FeO.Fe203, FeOAl203, FeO.Cr203 vs)
Sülfürler (basit: FeS, MnS, CaS, MgS, Al2S3 vs.
Kompleks bileşikler :FeS.FeO, MnS.MnO vs)
Nitrürler (basit: TiN, AlN, ZrN, CeN vs.
Kompleks nitrürler :Nb(C,N), V(C,N) vb
gibi alaşımlı çeliklerde bulunabilen ve güçlü nitrür oluşturan Ti,Al,V ve Ce
gibi elementler içeren çelikler),
Fosfürler (Fe3P, Fe2P vb)
Çelik içinde bulunan kalıntıların çok büyük bir kısmı oksit ve sülfürlerden oluşur. Değişik
metalik olmayan kalıntılar arasında oksit ve sülfür kalıntılarının normal çeliklerde zararlı
olduğu kabul edilir. Nitrürler genellikle azota ilgisi fazla olan Cr, V gibi elementler içeren
paslanmaz çelik, takım çelikleri benzeri özel çeliklerde bulunur.
Kalıntıların Kaynakları:
1. Sıvı çelik içindeki reaksiyonlar
veya katılaşma sırasında oluşan
çökelme reaksiyonları,
2. Sıvı çelikle temasta olan refrakter
ve diğer malzemelerin mekanik ve
kimyasal erozyonu
3. Akan metalin oksijen alması ve
sonrasında meydana gelen oksit
oluşumları
Recommended