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