Çelik üretiminde ergitme ve rafinasyon metali arıtmak için uygulanır. Çünkü pirometalürjik süreçlerle cevherden metal üretilirken, metalde bir miktar safsızlıklar oluşur.
Bu safsızlıklar;
- Yan ürün şeklinde ortaya çıkan elementler
- Tek başına bir etkisi olmayan ama metalin özelliklerine ve değerine olumsuz etki eden elementler
- Tek başına bir etkisi olmayan ama metalin özelliklerine ve değerine olumsuz etki etmeyen elementler
- Arıtmanın sonraki adımlarında kullanılacak safsızlıklar
şeklinde sınıflandırılabilir. ¹
ÇELİK ÜRETİMİNDE ERGİTME VE RAFİNASYON
Kaynatmalı Ocak Ergitmesi İle Çelik Döküm İmali Prensipleri:
Ergitme ve Rafinasyon
Pek çok dökümhane iyi kalitede çelik üretmeyi sağlamak için ocakta madenin şiddetli kaynamasını oluştururlar. Bu kaynama hurdadan gelen pas ile (yani özellikle paslı hurda kullanılarak) ve HADDEHANE TUFALININ ocağa ilave edilmesiyle sağlanır.
Bu ergitme yöntemine tam-oksidasyonlu (kaynatmalı ocak ergitmesi) denir.
Kısmi-oksidasyon ergitme tekniği kullanıldığında; madende orta şiddette bir kaynama olur. Bu kaynama karbonun, şarjda normal olarak az miktarda var olan oksitler ve hurdadan gelen pas üzerine FeO ile reaksiyona girmesiyle oluşur. Bu yöntem hızlı üretim avantajı sağlar. Ancak zayıf mekanik özelliklere sebep olabilir ve darbe-çentik mukavemeti düşük, kırılgan parçaların üretilmelerine neden olabilir.
Çelik Yapının Fiziksel Kimyası
Çelik yapım süreci üç basamağa ayrılabilir ama ilk iki basamak arasında net bir ayırım yoktur.
Bunlar;
a)Ergitme
b)Oksidasyon ve Rafinasyon (Kaynatmalı ocak metodu ile maden ergitme)
c)Deoksidasyon’ dur.
Çeliğin ergitilme sıcaklığında Karbon, Silis ve Mangan oksitlenmeye hazır elementlerdir. (Eğer bazik cüruf yapılmış ve ergitme sırasında sağlanabiliyorsa Fosfor da oksitlenir ve P2O5 çözünür.)
Demir gibi oksitlenen bu elementlerin nisbi miktarı;
1)Temel oksitlenme eğilimlerine
2)Oksitlenme eğilimi sıcaklıkla değiştiği için maden sıcaklığına
3)Var olan bu elementlerin nisbi miktarlarına ya da yoğunluklarına bağlıdır.
Standart Serbest Enerji
Temel oksitlenme eğilimi “oksit oluşumu o elementin standart serbest enerjisi” tarafından belirlenir.
Bu termodinamik fonksiyonun negatif değeri büyüdükçe, elementin oksitlenme eğilimi de büyür.
Buna göre 1600°C de
Si + O2 < —–> SiO2 ( -126 kcal)
2Mn + O2 < —–> 2MnO ( -117 kcal)
Bunun anlamı bir atom gram Silis ’in sabit olan bir miktar oksijenle iki molekül gram Mangan ’dan da daha kolay oksitlenebileceğidir.
Bir reaksiyon için standart serbest enerji değişimi, sıcaklık ile değişir ve bu nedenle “denge kat sayısı” da değişir.
Sıcaklığın Etkisi:
Çelik üretiminde eğer tüm oksidasyon reaksiyonları aynı yönde ve aynı derecede değişse, sıcaklığın etkisi bu kadar önemli olmazdı. Fakat durum böyle değildir. Standart serbest oluşum enerjisi değişimin negatif değeri sıcaklık yükseldikçe azalır.
Konsantrasyonun Etkisi
Sıralanan üçüncü faktöre göre her elementin nisbi yoğunlukları (konsantrasyonları)dikkate alınmalıdır.
Çelik üretiminde reaksiyonlar gerçekte çelik içinde çözünmüş elementlerle, çelik içinde çözünmüş oksijen arasında olur ve meydana gelen oksidasyon ürünü cüruf ile birleşir.
Ergitme
Ergitme esnasında Demir, Mangan, Silis ve Karbon elementlerin oksitlenmesi olur. Maden içindeki Oksijen ’in bir kısmı atmosferden bir kısmı da paslı hurda ile şarj edilen pas gibi katı oksitlerden gelebilir. Cüruf oluşur oluşmaz içinde çözünmüş FeO ile metal içindeki metalikler arasında oksidasyonun başladığı düşünülür. Cüruftaki Oksijen ’in kaynağı da yine atmosferdir.
FeO, SiO_2 ,MnO ürünleri cürufun bir parçasını oluştururlar. Ergitme sonunda elde edilen karbon miktarı şarjla ilave edilen ve ergitme esnasında reaksiyona girerek harcanmış karbon miktarı ise ocak ergitme operasyonuna bağlı, yaklaşık olarak bilinebilir.
Rafinasyon
Rafinasyon işleminde karbonla ocak kaynatılmasına yetecek kadar karbon bulunması için önlem alınmalıdır.
Ergitme sırasındaki düşük sıcaklık nedeniyle (belirli bir yoğunluk için) Mangan ve Silis oksitlenme eğilimi Karbon ‘dan da daha fazladır. Bu nedenle karbon bu elementler gibi harcanmaya hazır değildir. Diğer yönden bazik ocaklarda Silis genel olarak sıvı metal içinde düşük miktarlardadır. Mangan kaybı Silis kaybı kadar büyük değildir.
