Öncelikle çeliğin tanımıyla başlayalım. Çelik içerisinde %0.2 ile %2.1 arasında karbon bulunan demir karbon alaşımına denir.Çelik alaşımındaki karbon miktarlarıçeliğin sınıflandırılmasında etkin rol oynar. Karbon genel olarak Demir'in alaşımlayıcı maddesi olsa da demir elementini alaşımlamada Magnezyum, Krom, Vanadyum ve volfram gibi elementlerde kullanılabilir.
Cevherden Demir Çelik Üretimi
 |
| Hematit cevheri (Fe2o3) |
Demir-çelik üretiminde kullanılan demir cevherleri başlica hematit (Fe2O3) ’tir. Diğer demir cevherleri manyetit (Fe3O4), siderit (FeCO3) ve limonittir (Fe2O3-xH2O, x tipik olarak 1.5’tir).
Demir cevherlerinin büyük bir bölümü (%50-%70) demir içerir. Demir-çelik üretiminde cevherin yanında kullanılan diğer hammaddeler kireçtaşı ve kok kömürüdür.
Kok kömürü:
Bazı yağlı taşkömürlerinin havasız ortamda tüm uçucu bileşenleri uzaklaştırılana kadar ısıtılmasından sonra kalan katı artıktır. Kok kömürü başta karbon olmak üzere az miktarda hidrojen, azot, kükürt ve oksijenden oluşur. Kok kömürünün 1 kilogramı yandığında verdiği enerji 28.000 kJ (kilojoule)'dir. Kok kömürünün demir-çelik üretimindeki görevleri kısaca şöylerdir:
1-Kimyasal tepkimeler için ısı sağlar.
2-Demir cevherini indirgemek için gerekli olan CO’i üretir.
Kireçtaşı:
Yüksek oranda kalsiyum karbonat (CaCO3) içeren bir kayaçtır. Kireçtaşı ergiyik demirden safsızlıkları çekmek için kullanılan bir temizleyicidir.
Demir Üretimi:
 |
| Yüksek Fırın |
Demir cevheri, kok ve kireçtaşı yandaki resimdede görüldüğü gibi yüksek fırının üstünden eklenir. Fırının altından yüksek hızda gazlar fırına verilir. Yüksek fırınlar ters akım presibine dayalı olarak çalışan dikey fırınlardır. Demir cevheri, kok ve kireçtaşı fırının üstünden aşağı doğru, redükleyici gazlar ise fırının altından yukarı doğru hareket ederler. Ters akım prensibi katı ile gazın akış yönlerinin ters olmasından ve redüklenecek katı ile redükleyici gazın ters akım prensibi doğrultusunda karşılaşmasıdır. Böylece yanma ve indirgenme sağlanmış
olur. Yükleme malzemeleri tepesinden aşağı doğru yavaşça iner. İçeri verilen sıcak gazlar sayesinde 1650 C’ye ısıtılırlar. Kok yanması sıcak gazlar (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 ve yakıtlar) tarafından sağlanır. Bu gazlar yukarı doğru çıkarken katmanlardan geçerek, sıcaklığın artmasını sağlar. CO sıcak gaz olarak fırına verilir ve ayrıca kokun yanmasıyla da oluşur. CO’in demir cevheri üzerinde indirgeme etkisi vardır. Bu işlem sırasında yüksek fırında meydana gelen indirgenme reaksiyonları şöyledir;
F2O3 + CO → 2 FeO + CO2
CO2 kok ile tepkiyerek CO oluşturur:
FeO + CO → Fe + CO2
Sıvı demir aşağı doğru damlar ve yüksek fırının tabanında birikir. Bu sıvı demir belli aralıklarla alınır.
Kireçtaşı ise;
 |
| Pik Demir |
Kireç silika (SO2), kükürt (S), alümina (Al2O3) gibi safsızlıklarla birleşerek sıvı demirin üzerinde ergiyik cüruf oluşturur.
Şekilde görüldüğü gibi curuf sıvı metalin üstünde birikir ve curuf ordan alınır. Daha sonra sıvı demir alınarak çelik üretiminde kullanılmak üzere saklanır.Yüksek fırından alınan demir (pik demir) %4’ten fazla C ile %0.3-1.3 Si, %0.5-2 Mn, %0.1-1 P ve %0.02-0.08 S içerir. Dökme demir ve çelik üretimi için ilave rafine işlemleri gerekir. Kupola ocağı pik demiri, gri dökme demire dönüştürmek için kullanılır. Çeliklerde kimyasal bileşimler çok daha hassas seviyelerde ayarlanmalıdır ve safsızlıklar çok daha düşük seviyelerde olmalıdır.
Çelik Üretimi:
En önemli 2 çelik üretimi m Bazik Oksijen Fırını (BOF) ve elektrik ark fırınıdır. Her ikisi de karbon çeliklerinin ve alaşımlı çeliklerin kullanımında kullanılır.
Bazik Oksijen Fırını (BOF)
Çelik üretiminin büyük bir kısmı bu yöntemle gerçekleştirilmektedir. (BOF) ya da diğer adıyla LD konverterleri yüksek fırında üretilen sıvı ham demirin çeliğe dönüştürülmesinde kullanılan fırınlardır. Yüksek fırından alınan sıvı ham demire, uygulanan yüksek fırın sonrası-çelikhane öncesi işlemlerden sonra (kükürt, fosfor, silisyum v.b. giderme), bazik oksijen fırınlarında saf oksijen üflenerek bünyedeki karbonun uzaklaştırılması sağlanır. İşlem esnasında çıkan aşırı ısıdan refrakerleri korumak için şarjın yaklaşık %20'si kadarda hurda eklenir.
Çelik Üretimi:
En önemli 2 çelik üretimi m Bazik Oksijen Fırını (BOF) ve elektrik ark fırınıdır. Her ikisi de karbon çeliklerinin ve alaşımlı çeliklerin kullanımında kullanılır.
Bazik Oksijen Fırını (BOF)
Çelik üretiminin büyük bir kısmı bu yöntemle gerçekleştirilmektedir. (BOF) ya da diğer adıyla LD konverterleri yüksek fırında üretilen sıvı ham demirin çeliğe dönüştürülmesinde kullanılan fırınlardır. Yüksek fırından alınan sıvı ham demire, uygulanan yüksek fırın sonrası-çelikhane öncesi işlemlerden sonra (kükürt, fosfor, silisyum v.b. giderme), bazik oksijen fırınlarında saf oksijen üflenerek bünyedeki karbonun uzaklaştırılması sağlanır. İşlem esnasında çıkan aşırı ısıdan refrakerleri korumak için şarjın yaklaşık %20'si kadarda hurda eklenir.
Bazik oksijen fırınlarında, genellikle % 70-80 oranında yüksek fırından gelen sıvı metal (sıvı pik) ile kalan kısmını çelik hurdası, kireçtaşı, dolomit ve deoksidantların oluşturduğu şarj kullanılır. Uygun döküm sıcaklığında istenilen karbon yüzdesine erişmek için konvertere şarj edilecek ham maddelerin cinslerinin ve miktarlarının ayarlanması gerekir. Fırın % 100 sıcak metal ile şarj edilir ve oksijen ile üflenirse, sıcak metal içindeki karbon ve diğer yabancı elemanların oksijen ile birleşmesi sonucunda çok fazla ısı meydana geldiğinden sonunda dökülemeyecek kadar sıcak bir çelik elde edilir. Bunu önlemek için konvertere soğutucu olarak hurda şarj edilir. Hurdanın erimesi karbon ve diğer yabancı elemanların yanması esnasında meydana gelir bu elemanların oksijen ile yanması sonucu verdikleri ısıya bağlıdır. Konverter, % 75 hurda ve % 25 sıcak pik demir ile şarj edilirse sıcak metal içindeki karbon ve diğer elemanların oksijen ile yanması sırasında verdikleri ısı hurdanın yalnız küçük kısmını eritir. Bu bakımdan fırınların uygun miktarlarda sıcak pik demir, hurda veya cevher ile şarj edilmesi gerekir.
Genel olarak oksijen borusu, sıvı şarjın yüzeyinde- takriben 180 cm. yukarısındadır ve su soğutmalı olarak çalışmaktadır. Yüksek saflıktaki oksijen gazı (% 99,5 oksijen) normal olarak 10-12 kg/cm2 basınç altında büyük bir hızla püskürtme lansından çıkar. 100 tonluk bir fırın 64 mm çapında bir oksijen borusu vasıtasıyla dakikada 200-225 m3 oksijen kullanmaktadır. Oksijen verilmeğe başlandıktan hemen sonra üst kattaki bir silo sisteminden belirli miktarlarda kireç (CaO), fluşpat (CaF2), dolomit, kolemanit ve tufal (FeO) gibi cüruf yapıcı katkı maddeleri fırına ilave edilir. İstenilen baziklik derecesinde ve akıcılıkta curuf yapılmasına yarayan bu maddeler fırını örten ve su ile soğutulan bir davlumbazın yan tarafındaki eğik bir oluk vasıtasıyla ilâve edilir. Kireç sıcak pik demir içindeki Si ve P gibi istenmeyen elemanlarla birleşerek curufu meydana getirir. Oksijenin kısmen kimyasal ve kısmen banyoyu karıştırıcı etkisi vardır. Basınçlı oksijen banyoyu şiddetle karıştırdığından tasfiye reaksiyonları hızlanır. Oksijen sıvı şarjın yüzeyine çarpar çarpmaz demir oksidin
oluşumuna sebep olan reaksiyonları başlatır. Demir oksidin bir kısmı hemen banyonun her tarafına dağılır. Bu sırada karbon yanarak karbon monoksit (CO) ve karbon dioksit (CO2) meydana gelir. Bu da şiddetli bir kaynama oluşturur. Ayrıca bu arada şarjdaki silisyum, manganez, fosfor ve kükürtte oksitlenir. Oksijen sıvı pikte bulunan karbon ve silisyumu oksitleyerek katı hurdayı eritebilecek ısıyı açığa çıkarır. Sıvı metaldeki silisyum SiO2'e dönüşür ve bu SiO2 diğer curuf yapıcılarla reaksiyona girer. Ayrıca sıvı pikteki manganın,
demirin ve fosforun oksidasyonu ile de ortama bir miktar ısı katkısı sağlanmaktadır. BOF da gerçekleşen genel reaksiyonlar aşağıda verilmiştir. { } işareti lansdan üflenen oksijeni, [ ] işareti sıvı çelikte bulunan bileşeni, ( ) işareti ise curufa geçen katı oluşumu göstermektedir.
1/2{O2} = [O]
[Fe] + 1/2{O2} = (FeO)
[Si] + {O2} = (SiO2)
[Mn] + 1/2{O2} = (MnO)
2[P] + 5/2{O2} = (P2O5)
[C] + 1/2{O2} = CO
CO + 1/2{O2} = {CO2}
Düşük karbonlu çelikler için arzu edilen döküm sıcaklığı 1600-1610 °C dir. Sıcaklık döküm sıcaklığının üzerinde ise, banyonun soğuması için hesaplanmış miktarlarda hafif hurda ilâve edilir ve hurdanın banyo içinde dağılması için konverter sağa sola döndürülür. Hurda eridiği zaman diğer bir sıcaklık ölçümü yapılır. Şayet sıcaklık az ise kısa bir müddet tekrar üfleme ile arttırılabilir. Bu arada çelikten kepçe ile numune alınır ve elde edilen karbon, manganez v.s. miktarları doğru olarak tespit edilir. Karbon miktarı yüksek bulunduğu durumda tekrar üfleme ile azaltılır, gerekirse yeniden bir numune alınır. İstenilen döküm sıcaklığına ve karbon yüzdesine erişildiğinde fırın döküm tarafına eğilir ve metal, döküm deliğinden potaya alınır. Yapılacak çelik cinsine göre hesaplanan ilâve maddeleri, alaşımlar ve kok potaya, bakır, nikel ve molibden ise fırına ilâve edilir. Döküm bittikten sonra fırın ters tarafa döndürülerek curuf alınır. Fırın boşaltıldıktan sonra ağız kısmını ve oksijen borusunu temizlemek gerekir, fakat genel olarak bir sonraki döküm için fırın hemen yüklenir. Şarjdan şarja geçen zaman (yükleme, çelikten numune alma, ve test zamanı dahil) 30-35 dakika arasındadır.
Elektrik Ark Fırını
Bu fırında da pik demir kullanılabilir ama daha çok hurda demir-çelik kullanılmaktadır. Birkaç farklı EAF vardır. Doğrudan ark tipi en yaygın olanıdır. Bu fırınların üst kapağı hareketli olup yükleme burada yapılır, boşaltma ise fırının eğilmesi ile gerçekleştirilir. Fırına hurda demir-çelik ile alaşım elementleri ve kireçtaşı yüklenir. Bunlar elektrik arkı ile ısıtılır. Ark elektrotlar ve metal arasında oluşur. Tam ergime 2 saat sürer, tüm işlem ise 4 saat sürer. Bu fırınların kapasitesi 25-100 ton arasındadır. Bu yöntemle, BOF yöntemine kıyasla daha kaliteli çelik üretilir, fakat daha pahalıdır. Genelde alaşımlı çeliklerin, takım ve paslanmaz çeliklerin üretiminde kullanılır.
.jpg)