Oksitleme ve Eritme Yöntemleri

 

Yüksek fırında elde edilen pik demir (pik, ham demir) çelik ürünleri üretiminin başlangıç malzemesidir. Ayrıca dökümhanelerde yeniden eritilip, gerekli katkılarla bileşimi ayarlandıktan sonra “dökme demir" niteliği kazanır. Doğrudan konstrüksiyon malzemesi olarak kullanılmaz. Yüksek fırından her 2-6 saatte bir alınan sıvı pik, döner bant üzerindeki kokillere dökülür veya bir karıştırıcıya doldurulur. Sıvı pik karıştırıcıları çelikten yapılmış ve refrakter tuğla ile örülmüş kaplar olup, aşağıdaki iş-levleri yerine getirirler: 

Çelikhanenin sürekli beslenmesi, 
Yüksek fırından değişik zamanlarda alınan piklerin bileşimlerinin dengelenmesi, 
Mangan katılarak pik demirin kükürdünün giderilmesi. 

Kullanma amacına göre değişik pik türleri üretilir. Pik demirin bileşiminde bulunan C,Si,Mn,P,S çoğunlukla cevherden ve yüksek fırın kokundan (C,S) kaynaklanır.
 

Çok sert ve gevrek olan pik demirin çeliğe dönüştürülmesi için öncelikle karbon miktarı uygun bir düzeye indirilmelidir. Bu amaçla yapılan oksitleme (oksitleyerek arıtma) işlemi sırasında sıvı pikteki karbonun yanı sıra fosfor, silisyum, mangan da yanarak ısı açığa çıkar. Gerekli oksijen metal banyosuna, katı maddeler aracılığı ile verilir,  gaz (hava,saf oksijen) olarak üflenir. 

Oksitleme işleminin gerçekleştirildiği armut biçimindeki konverter (değiştirgeç) veya yayvan tekne şeklindeki ocak haznesi, içi refrakter duyarlı çelik kaplardır. Eriyik konverterlerde yanma ısısı ile yeterli sıcaklıkta tutulurken ,ocaklarda ayrıca dıştan ısı verilir. 

Oksitleme işleminde demirin olabildiğince az etkilenmesi istendiğinden, oksijene kimyasal ilgisi demirinkinden daha fazla olan elementler yakılır. Dolayısıyla kalay, molibden, kobalt, nikel ve bakır prensip olarak bu işlemle giderilemezler. Yanan elementlerden karbon CO veya CO2 gazları halinde uzaklaşırken, diğerlerinin oksitleri de büyük çoğunlukla metal eriyiğin yüzeyinde cüruf olarak toplanır. Cüruf,oksitlerin tür ve miktarına göre asit veya bazik karakterdedir. 

Kükürt ve P205 durumuna gelmiş olan fosfor, bazik tuğlalı (astarlı) konverter ve ocaklarda bazik katkılarla cürufa geçirilebilir. Örneğin yanmış kireç (Ca0) yardımıyla CaS ve Ca3(PO4)2 oluşturulması gibi.
 

Oksitleme bazik astarlı konverterlerde yapıldığı için fosforca zengin pik demirden çelik üretilmesi mümkün olur. Gerekli hava konverterin çok sayıda kanal içeren tabanından sıvı pik içine üflenir. Bu yöntemde sadece silisyum ve mangan değil karbon da fosfordan önce yandığından, istenen karbon miktarı ancak oksitlemeden sonra ferromangan veya spiegel katılarak sağlanabilir. Söz konusu ferroalaşımların mangan oranının yüksek oluşu çelikteki kükürt miktarının azalmasına da yarar. 

THOMAS çeliğinde fosfor ve azot miktarları yüksektir. Bu durum, demirin fazla yanmaması için oksitlemenin karbonun bitişiyle durdurulmasından (bu sırada P%0,08 dolayındadır) ve işlemde hava (yaklaşık %80 azot) kullanılmasından ileri gelir. Çeliğin bileşimindeki fosfor (%0,08) ve azot (>%0,01) gevrekleşmeye neden olduklarından Almanya'da THOMAS çeliği (T-Çeliği) artık üretilmemektedir. T-çeliğinden yapılmış konstrüksiyonlara uygulanacak değişiklik ve tamir işlemlerinde(özellikle kaynak yapıldığı zaman) çok dikkatli davranılmalıdır. Mekanik özellikleri ile bağlantılı olarak bu çeliklerin kaynak kabiliyetleri de kötüdür. Dolayısıyla kaynak ilave malzemeleri özenle seçilmeli ve sac kalınlığının 10 miden fazla olması halinde çıkabilecek sorunlara karşı önlem alınmalıdır. 
 

Avusturya'nın Linz ve Donawitz kentlerindeki çelik fabrikaları tarafından geliştirilip, ilk kez 1949 yılında endüstriyel ölçekte uygulanmıştır. Bu nedenle LD-çeliği veya yöntemi diye de anılır. Elde edilecek çelikteki azot miktarının çok az olmasını sağlayan saf oksijen, su ile soğutulan bir borudan konverterdeki pik banyosunun üzerine üflenir. Oksijenin metale ilk rastladığı bölgede oluşan çok yüksek sıcaklık etkisiyle astarın tahrip olmaması için, üfleme THOMAS konverterindeki gibi tabandan yapılmaz.

Hava yerine oksijen kullanımından ileri gelen sıcaklık artışı THOMAS yöntemindeki yanma sırasını da değiştirir (fosfor karbondan önce yanar). Dolayısıyla fosfor miktarı çok azalır; ayrıca banyoya %25'e kadar (soğuk) hurda katılabilir. Önemli bir diğer ekonomik üstünlük de pik türünün seçimindeki serbestliktir.

LD-yöntemi ile yüksek kaliteli, düşük katışkılı çelikler ekonomik olarak üretilebildiğinden, oksijen konverteri giderek artan ölçüde SIEMENS-MARTIN ocağının yerini almaktadır.
 

Oksitleme ve gerekebilecek eritme SIEMENS-MARTIN (SM) ocağının tekne şeklindeki yayvan haznesinde gerçekleştirilir. Kul-anılan rejeneratif yakma sistemi yüksek ocak sıcaklıklarına (1700°-1800°C) ulaşılmasını sağlar. Anılan sistemde baca gazları ısısından yararlanarak ön ısıtılmış hava ve yanıcı gaz, ayrı kanallardan üflenerek ocak şarjı üzerinde alev oluştururlar. 

Yaklaşık %10 hava fazlalığı ile çalışma sonucu metal banyosunun oksitlenmesi, alevin doğrudan etkimesi ile değil, FeO taşıyıcısı işlevi gören cüruf örtüsü üzerinden dolaylı biçimde meydana gelir. Oksitleme süresi diğer yöntemlere göre daha uzundur (3-5 saat). En önemli olay karbonun CO gazına dönüşmesidir. Yükselen gaz kabarcıkları (kaynama) banyonun iyi karışmasını ve tüm eriyik içinde oksitleme reaksiyonunun homojen olmasını sağlar.

Hammadde olarak katı veya sıvı pik demir ile hurda kullanılır. Pik demirin karbonu hurdada bulunan demir oksitleri (pas,tufal) indirger. Dıştan ısı verildiği için, katılan hur-da miktarı istenildiği kadar fazla (>%50) olabilir. Üretilen çeliğin kalitesi eritilen hurdanın türüne göre büyük ölçüde değişir. Çoğunlukla kaynağı belirsiz olan endüstri hurdası kullanılırsa bakır, krom, nikel, kalay(teneke) ve arsenik gibi elementlerin müsaade edilen sınırların üzerinde katışması söz konusudur. Bu nedenle yüksek kaliteli ve özel çelikler için "mavi" hurda (haddehane artıkları) veya yüksek kaliteli başka hurdalardan yararlanılması zorunlu olur. 

Çeliğin kalitesini kontrol edebilmek için yöntemin aşağıda açıklanan özellikleri göz önünde tutulmalıdır.

Üstten ısıtılan ve sıcak olan cürufun reaksiyon kabiliyeti çok yüksektir. Bu nedenle bazik karakterli ocaklarda çok düşük fosfor (%0,02), kükürt (%0,03) ve azot oranları elde edilebilir; hurdadaki alaşım elementleri sıvı metalde kolayca çözünebilir. Uzun oksitleme süresi bileşimin çok hassas olarak ayarlanmasına imkan verir. Dış kaynaklı ısıtma dolayısıyla eriyiğin "donma" tehlikesi bulunmadığından, alaşım elementleri oksitlemeden sonra da katılabilir.
 

Bunlarda gereken ısı elektrik enerjisi (ark,indüksiyon) ile sağlanır ve sıcaklık 20000 C’ye kadar çıkabilir. Yüksek alaşımlı çeliklerin üretimi için, ocaktaki oksijen aktivitesi mümkün olduğu kadar düşük tutulabilmeli (aksi halde alaşım elementleri yanar), yüksek ocak sıcaklığına erişilebilmelidir(alaşım elementleri banyoya daha kolay girer). Bu koşullar ancak elektrikli eritme yöntemleriyle yerine getirilebilir. Söz konusu yöntemlerde yakıttan dolayı katışkıların (kükürt) artması sorunu yoktur; gerekebilecek oksitleme işlemi demir cevheri veya oksijenle yapılır. 

En çok kullanılan HEROULT tipi elektrik ark ocağında,3 fazlı akım uygulanan grafit veya karbon elektrotlar ile ocak şarjı arasındaki arkın ısısından yararlanılır. Banyo sıcaklığı akım şiddetiyle kontrol edilir. Uygun katkılar ve gerçekleştirilen cüruf reaksiyonları yardımıyla, kaliteli pik ile seçilmiş hurdadan istenilen özelliklerde ve katışkı miktarı çok düşük çelikler (asal çelikler)üretilir. Bazik astarlı ocaklarda arıtma ile fosfor ve kükürt 80,01 dolaylarına kadar azaltıla-bilir. 

Yüksek dayanımlı ve yüksek alaşımlı yeterli tokluk bakımından, çözünmüş gazlar da çok az olmalıdır. Bu amaçla hidrojen ve azotun giderilmesi oksijene göre daha zordur. 

Eriyen elektrotlu ark yönteminde, sürekli biçimde metal banyosuna doğru hareket ettirilen bir çelik elektrot (bant, çubuk veya yuvarlak kütük) oluşturduğu elektrik arkıyla koruyucu gaz veya vakum altında eritilir. Gaz ve sıvı halindeki reaksiyon ürünleri adı geçen ortamlarda sıvı çeliği daha kolay ter-kederler; kükürt ve fosfor ise sadece kimyasal olarak giderilebilir. Gazı büyük ölçüde alınmış ve katışkıları azaltılmış çeliklerin havaya açık olarak eritilenlere göre;

- Dinamik zorlamalara karşı dayanımları, 
- Çentik vurma toklukları, 
- Yüksek sıcaklıktaki dayanımları çok daha iyidir. 

İndüksiyon ocağı bir trafonun birincil sargısı niteliğin-deki bakır boru ile çevrelenmiş bir potadır. Trafonun çekirdeği ve kısa devre edilmiş ikincil sargısı yerine geçen ocak şarjı, elektriksel girdap akımlarının ve histerezis kayıplarının etkisiyle 19000 C sıcaklığa kadar ısınır. Metal banyosunda PINCH-Olayından ileri gelen karıştırma hareketi alaşım elementlerinin çözünmesini kolaylaştırır. Eritme havada, koruyucu gaz altında veya vakumda yapılabilir. Bunlardan sonuncusu çelikteki gazları azaltma bakımından diğer tüm yöntemlerden üstündür. 

İndüksiyon ocağı cüruf örtüsünün karışması v.b. güçlüklerden dolayı arıtmaya değil, daha çok bileşimi bilinen hurdadan alaşımlı çelik yapımına yarar. Düşük karbonlu çeliklerin eritilmesinde, ark ocaklarında olduğu gibi elektrottan karbon alma tehlikesi yoktur.