Çelik üretim prosesi, hematit ve manyetit cevherlerinin yüksek fırında Boudouard denge koşullarında kok kömürünün taşıyıcılık ve redüktant özelliğinden faydalanarak pik demire indirgenmesi ile başlar. Ardından bazik oksijen fırınında oksijen üflenerek konvertisaj işlemi gerçekleştirilir ve ferro alaşım ilaveleri yapılır. Bazik oksijen fırınının çıktısı sıvı çeliktir.
Sıvı çelik, ikincil metalürji olarak adlandırılan pota metalürjisi işlemlerinde kükürt giderme adımından sonra sürekli döküm aşamasına hazır hale gelir. Sürekli döküm prosesinden slab adı verilen dikdörtgen kesitli ürün elde edilir. Slablar östenit sıcaklığının üzerinde haddelenerek bobin adı verilen yassı ürüne dönüşmektedir. Sıcak haddelenmiş yassı ürün sonrasında oda sıcaklığında tekrar haddelenerek istenilen nihai kalınlığa indirilebilir.
Bazik Oksijen Fırını
Çelik üretim endüstrisinde ana kriter yüksek tonajlı ve düşük maliyetli üretimdir. Bu noktada Bazik Oksijen Fırını (BOF) bu kritlerleri sağlıyor olmasından dolayı yaygın olarak tercih edilen bir metottur. Cevherden üretim yapan çelik tesisleri entegre tesis olarak adlandırılmaktadır ve bazik oksijen fırını bu tesislerin önemli bir parçasıdır.
Proses Tanımı
Bazik oksijen prosesi, yüksek saflıktaki oksijenin, refrakter kaplı konvertör içerisinde lans adı verilen aparatlar ile karbon oranı yüksek ergiyik pik demir ve hurda karşımı üzerine üflenmesidir. Pik demirdeki karbon, fosfor, mangan ve silikon empüriteler ticari kullanım için uygun seviyede değildir ve bu oksijen üfleme işleminin ardından istenilen seviyelere getirilir. BOF’tan alınan sıvı çelik, endüstride döküm olarak adlandırılır. Her döküm izlenebilirlik açısından farklı bir döküm numarasıyla numaralandırılır. Bazik oksijen fırınlarında, genellikle % 70-80 oranında yüksek fırından gelen sıvı metal (sıvı pik) ve 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 açığa çıkan ısı dökülemeyecek kadar sıcak bir çelik elde edilmesine neden olur. Bunu önlemek için konvertere soğutucu olarak hurda şarj edilmektedir. 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 önem taşımaktadır.
Prosesin amacı, yüksek fırından gelen pik demir içerisindeki yaklaşık % 4 oranındaki karbon miktarını % 0,1 oranına düşürmektir. Konvertör içerisinde gerçekleşen ekzotermik reaksiyonlar iyi dökülebilirlik için soğutucu ihtiyacı doğurur. Soğutucu olarak hurda ilavesi kullanılır. Oksijen üfleme sırasında cüruf yapıcı olarak kullanılan mineraller sadece sülfür ve fosforun oranını kontrol etmek için değil aynı zamanda konvertör içerisindeki refrakter astarın aşınmasını minimize etmek için de kullanılır. Giriş malzemelerinin kimyasal kompozisyonu ve sıcaklığı, hedeflenen çelik ağırlığı, kimyası ve sıcaklığı, sıcak metal, hurda, oksijen ve flux miktarına etki eden parametrelerdir. Demir, silisyum, karbon, mangan ve fosfor temel elementlerdir.
Üfleme prosesi boyunca lans aracılığıyla konvertörün tepesinden yüksek saflıkta oksijen beslenir. Oksijen üfleme sırasında sağlanan yoğun karıştırma ve sıvı pik demirin yüksek sıcaklığı, hızlı oksidasyonu ve büyük bir enerji miktarının hızlı bir şekilde serbest bırakılmasını sağlar. Sıvı cüruf, silisyum, manganez, demir ve fosforun oksitleri ve fluxlar ile birlikte oluşturulur. Cüruf ve çelik etkileşimi köpüklü bir emülsiyon oluşturur. Çelik damlacıklar ile cüruf arasındaki geniş yüzey alanı, yüksek sıcaklıkta kuvvetli karıştırma, metallerin gaz fazına geçişi için hızlı tepkimeleri ve hızlı kütle transferini mümkün kılar. Üfleme bittiği zaman cüruf çelik banyolarının üzerinde yüzer. Sıvı ham çelik ve cüruf, konvertörden ayrı olarak alınır.
Önerilen Makale: Çelik köşebent malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için
çelik köşebent sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
Proseste Kütle ve Enerji Dengesi
BOF için giriş malzemeleri; sıcak metal, hurda, flux ve saf oksijendir. Fluxlar yani cüruf yapıcılar, soğutucular ve ısıtıcılar olarak gruplandırılabilir. Yanmış kireç, dolomitik kireç ve kireçtaşı en çok kullanılan cüruf yapıcılardır. Ferrosilikon ve antrasit kok ısıtıcı, demir cevheri ve peletler genellikle soğutucu olarak kullanılmaktadır.
Sıcak metal, hurda ve demir cevheri ve fluxlar fırın içerisine şarj edildikten sonra oksijen, lans vasıtası ile yüksek akış oranlarında fırın içerisine üflenir. Karbon monoksit (CO), Karbon dioksit (CO2) gazları ve demir oksit dumanı (Fe2O3) konvertörün ağzından çıkar. İşlem sonunda konvertör içerisinde sıvı ham çelik ve cüruf oluşur. Üfleme sırasında oksidasyon reaksiyonlarından elde edilen enerji, sıcaklığı 1350°C’den 1680°C’ye yükseltmek için gerekli olan enerjiden daha yüksektir. Isı formundaki bu fazla enerji fluxların ve hurdanın ergitilmesinde kullanılırken bir kısmı da kondüksiyon, konveksiyon ve radyasyon ile kaybolur. İstenen sıcaklık ve bileşimde çelik üretimi için, sıcak metal, hurda, demir cevheri, flux ve oksijen gibi her girdi malzemesinin miktarının, sıcaklığının ve bileşiminin belirlenmesi önemlidir. Bu miktarların belirlenmesi tesis pratiklerine göre değişmekle birlikte hesaplamalar kütle ve enerji dengesi baz alınarak yapılmaktadır.
Prosesteki Reaksiyonlar
Sıcak metal ve hurda, konvertör içerisine şarj edilirken su soğutmalı lanstan üflenene yüksek oksijen üflenerek reaksyionlar başlatılır. Oksijen afinitesi yüksek karbon, silikon, mangan ve fosfor gibi metal banyosunda çözünmüş olarak bulunan empirüteler oksidasyona uğrar ve uzaklaştırılır.
Oksijen üfleme süresi konvertör hacmine bağlı 16-25 dakika arasında sürmektedir ve reaksiyonlar sonucunda ürün olarak Karbon monoksit (CO), Karbon dioksit (CO2), Silisyum dioksit (SiO2), Fosfor Pentoksit (P2O5), Mangan Oksit (MnO) ve demir oksitler gibi oksitler meydana çıkmaktadır. Oksijen üfleme debisi tesis pratiklerine bağlı olarak 4-4,5 m3 / dakika arasında değişmektedir. Konvertöre cüruf yapıcı olarak başta kireç (CaO) olmak üzere fluxlar ilave edilir ve bu oksitler, metalden Sülfür (S) ve Fosfor (P) 'un cüruf fazına geçmesini sağlamaktadır ve sıvı olarak ana metalden uzaklaştırılmaktadır. % 90 CO ve % 10 CO2'den oluşan gaz fazındaki oksitler, az miktarda demir oksit ve kireç tozunu da taşıyarak fırından çıkarlar.
Ana oksidasyon reaksiyonu sıcak metal banyosunda bulunan karbonun oksijen lansından sağlanan yüksek saflıkta oksijen ile reaksiyona girmesi sonucu oluşmaktadır ve bu reaksiyondan yüksek miktarda gaz meydana çıkar. Fırın gazları ve lans ile gelen saf oksijenin birleşmesiyle, bir sıvı cüruf ve küçük metal damlacıkları emülsiyonu oluşur. Bu gaz-metal-cüruf emülsiyonu, saflaştırma reaksiyonlarının hızını arttıran geniş yüzey alanını sağlamaktadır.
Karbon, silikon, fosfor ve manganez gibi saf olmayan elementlerin oksidasyonu, sitokiyometrik oksijen miktarı çelik banyoya üflendiği zaman başlamaktadır.
Cüruf
Bazik oksijen fırınında oksijenli çelik üretimi temelde yüksek karbonlu sıcak metalin düşük karbonlu hale getirilmesine dayanmaktadır. Ergiyik metal banyosuna verilen saf oksijen, konvertör içerisindeki sıvı demir ve diğer metalik ve metalik olmayan yabancı maddelerin oksitler oluşturur. Bu oksitler sıvı çelikten daha düşük yoğunluğa sahitir ve bu fiziksel fark yüzeye çıkıp yüzmelerini sağlamaktadır. Bu rafinasyon işlemi sırasında flux ilavesi Si, SiO2; Mn, MnO; Fe, FeO ve P, P2O5 oksidasyonlarını gerçekleştirir. Bu fluxlar CaO ve MgO bakımından zengindir. Yanmış kireç ve dolomitik kireç endüstirde en çok kullanılan fluxlardır. Cüruf bu fluxların çözünmesi sonucu oluşmaktadır. Oksijen üfleme işleminden sonra yüzeyde yüzen cüruf, sıvı ham çelik bir potaya döküldükten sonra konvertörden uzaklaştırılmaktadır. Uzaklaştırılan bu cüruflar ağırlıklı olarak çimento sanayinde kullanılmaktadır.
Üfleme başlangıcında lans sıcak metal yüzeyinin üzerinde tutulur. Oksijen afinitelerine bağlı olarak ilk, silisyum ile demir oksitlenir ve Silisyum dioksit (SiO2) ve Demir Oksit (FeO) açısından zengin bir cüruf meydana getirir. Yine üfleme işleminin başlangıcında önemli miktarlarda kireç ve dolomitik kireç ilavesi yapılur. Üfleme işlemi sürerken, katı kireç sürekli olarak sıvı cüruf içerisinde çözünmekte ve cüruf bazitesini arttırmaktadır.
Oksijen üfleme işlemi dekarbürizasyon açısından kritik önem taşımaktadır. Ayrıca üretilen CO gazı cürufta FeO içeriğini azaltmaktadır. Bu da ana metal kaybı kontrolü açısından önemlidir. Üfleme işleminin sonlarına doğru, dekarbürizasyon hızı azalmakta ve demir oksidasyonu tekrar belirgin hale gelmektedir.
İkincil Metalürji
İkincil Metalurji, günümüzde mevcut olan çelik üretimdeki modern tesislerin vazgeçilmez bir prosesi haline gelmiştir. BOF’ taki çelik üretim süreci gün geçtikçe sadece hurdanın ergitilip ön rafinasyonun yapıldığı, kalan işlemlerin tamamen ikincil metalürji işlemlerine bırakıldığı bir proses haline dönüşmüştür. Çeliğin kalitesini ve kimyasal spesifikasyonlarını kazandığı proses adımı burasıdır.
Çelik içerisindeki süneklik, korozyon dayancı ve darbe dayanımının düşmesine sebep olan zararlı empüriteler demir kafesinde ara yer atomu olarak yerleşen kükürt, fosfor, oksijen, hidrojen ve azottur. Karbon da bir ara yer atomudur, fakat genellikle zararlı bir kalıntı olarak adlandırılmamaktadır. Aynı zamanda oksijen ve kükürt inklüzyon adı verilen, metalik olmayan taneciklerin de kaynağıdır. İnklüzyonlar özellikle nihai üründe özellikle mekanik performansı etkilediğinden yapıdan inklüzyonların uzaklaştırılması, makul seviyelere indirilmesi gerekmektedir.
Pota metalürjisinin getirdiği teknik ve ekonomik üstünlükler aşağıda verilmiştir.
• Tesis verimliliğinin arttırılması
• BOF’ta dökümden döküme geçen sürenin azaltılması
• Birincil enerji tüketiminden tasarruf
• Fero alaşım ve düşük maliyetli şarj malzemelerinin kullanılabilmesi
• Dökümden döküme aynı çelik kalitesinin sağlanabilmesi
• Çelik temizliği kontrolü
• Yeni çelik kaliteleri geliştirilebilmesi
• Düşük bakım maliyeti
İkincil metalurji, bir sonraki aşama olan sürekli döküm prosesi için sıcaklık homojenizasyonu, üretilmek istenen kalitenin özellikleri oluşturmak için hassas alaşımlama, yapı içerisindeki inklüzyon miktarını azaltma ve modifikasyon, gaz giderme gibi işlemlerin gerçekleştirildiği önemli bir prosestir.
İkincil metalürji işleminde potadaki çeliğin homojen olması amacı ile asal karıştırıcı gaz verilir. İstenen çelik kalitesine göre dar toleranslarda kimyasal analiz elde edilebilmesi için hassas olarak ferro alaşım ilaveleri yapılır. Ferro alaşım ilavelerinde kullanılacak miktarlar pota ağırlığına göre yüzde olarak hesaplanarak yapılır. Endüstride kullanılan pota ağırlıkları 50-300 ton aralığında değişmektedir. Pota metalürjisinde bir diğer önemli işlemler yapı içerisindeki azot, oksijen, hidrojen, karbon miktarının düşürülmesi ve kükürt giderme işlemleridir.
Sürekli dökümlerin istediği pota kalkış sıcaklığı olarak adlandırılan pota sıcaklığını sağlamak amacıyla grafit elektrotlarla oluşturulan elektrik enerjisi ve pota içerisinde oluşan ekzotermik reaksiyonlar kullanılmaktadır. İkincil metalürji çelik kalite ve veriminde artış sağlarken, artan çelik temizliği taleplerini karşılamakta da önemli role sahiptir.
Pota Fırını (LF)
Pota fırınında, grafit elektrotlarla oluşturulan elektrik enerjisi ve pota içerisinde oluşan ekzotermik reaksiyonlar ile birlikte sıvı çelik yeniden ısıtılmakta, çeliğin sıcaklık ve içeriğinin homojenize edilmesi için asal gazlar ile sıvı çelik karıştırılmakta ve kalıntıların, metal oksitlerin tutulduğu bir cüruf tabakasının oluşturulmaktadır. Ayrıca alaşım ilavelerinin yapıldığı yer de pota fırınıdır, istenilen kimyasal kompozisyon burada kazandırılır ve etkin bir şekilde kükürt ve fosfor giderme işlem şartları sağlanır.
Vakum Tankı Gaz Giderici (VTD)
Sıvı çelikte H2, O2, N2 gibi çözünen gazların konsantrasyonunu düşürmek amacıyla vakum tankı gaz giderici kullanılmaktadır. Bu işlemle sıvı çelikteki oksit kalıntıları ayrılıp ve çelik sıcaklığı homojenize edilmektedir.
Vakum gaz giderme prosesinden beklentiler aşağıda sıralanmıştır:
• Cüruf ve çelik kaynaması için gerekli boş hacmin sağlanması,
• Kalıntıların ayrışması ve verimin artması amacıyla karıştırma işlemi sırasında çelik banyosundan yeterli karıştırıcı asal gaz geçirgenliği sağlanması,
• Yeterli ısıtmanın sağlanması,
• Pota tank içerisindeyken potaya şarj yapabilecek sistemlerin entegrasyonu.
RH Gaz Giderme Yöntemi
BOF üretimi yapılan çelik tesislerinde RH yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. RH gaz giderme ünitesinin kapasitesi verim açısından önem taşımakla birlikte 400 tona kadar çıkmaktadır. Sirkülasyonu olan bir gaz giderme tesisidir.
Vakum tankının altında 2 adet şinorkel tüp mevcuttur. Bir inert gaz (genellikle Argon) bir tüpten pota içerisine doğru gönderilir ve gaz-çelik karışımı potadan vakum haznesine diğer tüp ile akış sağlanır. Bu haznede gaz giderme işlemi yapılır ve gravimetrik akış ile pota içerisine geri döner.
RH gaz giderme yöntemi ara yer atomsuz olarak bilinen IF (Interstitial Free) çeliklerinin üretiminde de önem taşımaktadır. Bu çeliklerde istenen maksimum karbon miktarı 30 ppm’dir ve termodinamik olarak bu seviyeye inmek yalnızca vakum koşullarında mümkündür. 1 atm seviyesinden 4-5 mbar inen basınç seviyesi, karbon oksidasyonunun devamını sağlar ve böylelikle sıvı çelikteki karbon miktarı ppm mertebelerine indirilebilir.
Sürekli Dökümler
Dünyada yıllık sürekli döküm yöntemiyle çelik üretimi ortalaması 750 milyon ton seviyesindedir. Tandiş kapasitesi sürekliliğin de ölçüsüdür. Tandiş refrakter malzemelerden oluşmaktadır ve kapasitesi 15 ile 100 ton arasında değişmektedir.. Her pota üzerinde cüruf koruyucu ve pota altında seramik bazlı pota aratüpü ile hava ile teması kesilmektedir. Sıvı çelik, tandişten ön ısıtılmış seramik nozullar ile su soğutmalı nikel kaplamalı bakır kalıplara aktarılmaktadır. Ergimiş sıvı çelik su soğutmalı bakır kalıp duvarı ile temas ederek soğur ve bir katı kabuk oluşturur. Sürekli döküm makinesi içerisinde bulunan kalıp altındaki roller sürekli olarak belirli bir oranda veya döküm hızında kalıp içerisinden oluşan kabuğu aşağıya doğru çeker. Böylece prosesin kararlı bir şekilde devamlılığı sağlanır. Kalıp altındaki çıkış bölgesinde kabuk şeklinde katılaşmış çelik kalan sıvı çeliği destekler. Eriyik basıncından kaynaklı şişkinliği minimize etmek ve şekil kontrolü sağlayabilmek için roller çeliği desteklemektedir. Roller arasında ilerleyen ve iç bölgesi henüz katılaşmamış çelik, su ve hava püskürtme ile yüzeyden merkeze doğru katılaşmaya kadar devam eder. Merkez tamamen katılaşınca devam eden döküm istenilen metalürjik uzunluğa kesilir ve dikdörtgen kesitli slab adı verilen ürün elde edilir.
Sürekli olarak döküm için taret adı verilen iki pota arası iletim aracı kullanılmalıdır. Bir potadan tarete, taretten diğer potaya ve oradan tandişe akış sağlandığınca taretteki döndürme araçlarının da yardımıyla tandiş aşınması azaltılmakta ve farklı kimyasal kompozisyondaki çeliklerin sürekli dökülmesine imkan sağlanmaktadır. Çelik temizliği ve kalitesini arttırmak için reoksidasyon engellenmelidir. Bunun için döküm akışı sırasında koruyucu refrakter ve inert gaz ile perdeleme yapılmalıdır. Kalıpta yapışmayı önlemek amacıyla kalıba osilasyon hareketi verilmelidir. Bu osilasyonun frekansı bir sonraki aşama olan sıcak haddeleme için önemlidir. Özellikle düşük karbonlu C-Mn çeliklerinde yüksek frekanslarda osilasyon izleri arası mesafenin açılması ve katılaşma sonrası deformasyona hassas bölgeler oluşmasına neden olmaktadır. Slabın yüzey kalitesini arttırmak için toz veya granül halinde döküm fluxları kullanılmalıdır. Slab genişliği kalıp genişliğiyle kontrol edilir ve ayarlanabilir kalıp genişliğine sahip sistemler, konik slab üretimine imkan tanımakta ve farklı genişlikte slab dökümüne geçildiğindeki zaman kaybını ortadan kaldırmaktadır. Slabın yüzeyi ve kesitindeki katılaşmayı iyileştirmek ve segregasyon kontrolünü geliştirmek amacıyla kısmen katılaşmış bölgede elektromanyetik karıştırma uygulanmaktadır.
Sıcak Haddeleme
Sıcak haddeleme prosesi sürekli dökümlerden elde edilen istenilen kimyasal kompozisyon ve çelik temizliğine sahip slabların, istenilen kalınlık ve genişliklere ezildiği prosestir. Proses östenitleme sıcaklığı üzerinde gerçekleştirilir ve deformasyon sonrası uygulanan soğutma rejimi istenilen mekanik özelliklerin eldesini sağlar. Östenit-ferrit dönüşümü, istenen nihai özelliklere göre deformasyon esnasında veya sıcak deformasyonun ardından uygulanan soğutma rejimi ile başlatılabilmektedir.
Finishing mill adı verilen ve arka arkaya standlerde kademeli ezmenin yapıldığı tipte bir sıcak haddehane, yeniden ısıtmanın yapıldığı slab fırını, yüzeyden tufal atma (descale) , dik hadde, kaba hadde, coilbox, baş-son bölgelerinin kesildiği kırpıntı makası, ikincil tufal atma, şerit hadde, duşlu masa ve bobin sarma ünitelerini kapsar.
Slab Fırınları
Sürekli dökümlerde üretimi yapılan slabların sıcak haddehane prosesleri içerisindeki ilk durağı slab fırınlarıdır. Sürekli dökümden çıkan slablar tesisteki üretim yoğunluğu ve artan ürün gamıyla sürekli döküm-sıcak haddeleme proses senkranizasyonun oldukça zor hale gelmesi gibi nedenlerden dolayı öncelikle stoklanır ve bu stok sahasında genelikle oda sıcaklığına kadar soğur. Slab fırınındaki bu yeniden ısıtma işlemi slabın östenit fazına çıkarılıp haddelenebilirliğini kolaylaştırmakla birlikte, tav etkisi oluşturarak dentritik döküm yapısından kurtulmak için de önemlidir. Ayrıca birçok alaşım elementinin oluşturduğu ikincil fazların da çözünmesi sağlanır. Slab fırınında ısıtma sıcaklığı endüstride genellikle 1200°C-1250°C olarak, işlem süresi 2- 2,5 saat olarak seçilir. Bu sıcaklık ve süre seçimi kimyasal kompozisyona bağlı olarak katı çözeltiye alınacak fazların belirlenmesi ve oluşturulacak tufal tabakasının kalınlığının belirlenmesi için uygun olmalıdır.
Endüstride itmeli tip ve yürüyen tabanlı olmak üzere iki tip slab fırını kullanılmaktadır. İtmeli tip fırınlarda hareket skid adı verilen genellikle nikel bazlı süper alaşımdan yapılma elemanlar üzerinden sağlanırken, yürüyen taban fırınlarda deşarj hidrolik bir taşıyıcı ile sağlanmaktadır.
Kaba Haddeleme
Slab fırınlarında östenitik faza getirilen slablar, fıından çıktıktan sonra haddeleme işlemine girmeden önce descale box adı verilen bölgeye girer. Burada yüzeyde oluşan tufali uzaklaştırmak için yaklaşık 200 bar basınçla nozullar vasıtası ile slab yüzeyine su püskürtülür. Camsı tufal tabakası bu yüksek basınçlı suyun etkisiyle yüzeyden uzaklaştırılır. Eğer bu işlem yapılmazsa, oluşan ve prosesin ilerleyen aşamalarında da oluşmaya devam edecek olan tufal yüzey kalitesini olumsuz olarak etkileyecek ve kesite doğru ilerleyerek kalıcı hale gelecektir. Tufal atma işlemini takiben şerit haddelemenin ön malzemesini oluşturmak amacıyla kaba haddelerde genellikle 4-6 paso haddeleme işlemi yapılarak, slab kalınlığı 200mm-300mm arasından 30mm50mm aralığına getirilir. Kaba haddelemede paso geçiş anlamında kullanılmaktadır. Her pasoda genişlikte meydana gelen artışı kontrol etmek amacıyla edger adı verilen dik haddeler kullanılır ve her pasoda descale uygulanır. Endüstride çeşitli kaba haddeleme prosesleri kullanılmaktadır. Bunlar tek stand tersinir hadde, çoklu stand veya tek yönlü kaba haddeler olarak gruplandırılabilir. Kaba haddeleme işleminden sonra 30mm-50mm kalınlığa kadar haddelenmiş olan malzeme transfer bar olarak isimlendirilir. Transfer bar bir sonraki aşama olan coilbox ünitesine iletilir. Coilboxta sarma işlemi gerçekleştirilerek sargılar arası temasla birlikte homojen bir sıcaklık dağılımı sağlanır. Kaba haddedeki proses sıcaklığı slab fırınındaki ısıtma sıcaklığı uygun seçildiğinde yeniden kristalleşme ve eş eksenli tane oluşturma için uygun gerçekleşir. Bununla birlikte kaba haddedeki içyapı değişiminin, şerit haddede arka arkaya birkaç ayakta haddeleme işleminin gerçekleştirdiği içyapı değişimine etkisi sınırlıdır.
Şerit Haddeleme
Kaba haddeleme işleminden sonra transfer bar coilbox verilen bir ünitede sarılır. Bu sarılma işlemi sıcak haddeleme için 3 adet avantaj sağlamaktadır:
Slab fırınından çıktıktan sonra, tufal atma ve kaba hadde bölgesinde haddeleme ve tufal atma işlemleri transfer bar boyunca değişken sıcaklık dağılımına sebep olabilmektedir. Bobin kutusuna sarılan transfer barda, sargılar arasında kondüksiyonel ısı transferi ile şerit haddeleme işleminden önce sıcaklık homojenizasyonu sağlanır.
Bobin kutusuna sarılan transfer bar, kapladığı alan olarak tasarruf sağlamakta ve böylelikle eş zamanlı olarak kaba haddede başka bir slabın haddelenmesine imkan sağlamasıdır. Transfer barın sarılmadığı durumda, transfer barın son bölgesi hala kaba hadde bölgesinde olacağından bir sonraki slabın haddelenmesi için bu transfer barın şerit haddeye iletilmesinin beklenmesi gerekmektedir ve bu da üretim kaybına neden olur.
Transfer bar, şerit haddeye iletilip nihai kalınlığa haddelenmesi esnasında kopma, takılma gibi problemler meydana gelebilir. Bu tür problemler yaşandığında, transfer barın hala coilboxta sarılı olarak bulunan bölgesi varsa geri tahrikle problemli kısım coilboxa tekrar sarılabilir ve kolayca dışarı alınır. Bu da tesisin kısa süre içerisinde tekrar devreye alınmasını sağlar ve üretm kaybını azaltır.
Bobin kutusundan çıkan transfer bar, kaba haddeleme işlemi sonrası baş kısımda dil (tongue) ve kenarların fazla uzamasından kaynaklı son kısımda da oluşan balık kuyruğu (fish tale) adı verilen bölgeler içerir. Bu bölgelerinin ayıklanması için kırpıntı makasında gerçekleştirilir. Bu kısımların ayıklanması şerit haddede düzgün bir haddeleme işlemi yapılabilmesi açısından önemlidir. Kırpıntı makasından sonra, şerit hadde girişinde ikincil tufal atma ünitesinden geçen transfer barın yüzeyinde oluşan ikincil tufal yüksek basınçlı su püskürtülerek yüzeyden uzaklaştırılır. Bu aşamadan sonra nihai kalınlığa indirilmek üzere transfer bar şerit haddeye (finishing mill) girmeye hazırdır.
Şerit hadde genel olarak 5, 6 veya 7 adet ayaktan oluşur. Hadde konfigürasyonu genel olarak dörtlüdür ve altlı üstlü bir geniş çap bir dar merdane olmak üzere dört merdaneden oluşur. Geniş çapa sahip olanlar destek merdanesi, düşük çapa sahip olanlar ise iş merdanesi yani transfer bar yüzeyiyle temas halinde olan merdanelerdir. Bu dörtlü konfügirasyona ayak ismi verilir. Şerit haddelemede şerit giriş sıcaklığı önemlidir. Şerit haddedeki motor güçlerinin limitlediği bir minimum şerit giriş sıcaklığı vardır. Her ayakta yapılacak ezme miktarı, bunun için gerekli şerit giriş sıcaklığı ve şerit çıkış sıcaklığı (ikmal sıcaklığı), şeridin ayaklar arası iletim hızı gibi birçok parametre metalürjik olarak öğrenen bir matematiksel model tarafından hesaplanır ve sisteme set değerleri gönderilir.
Şerit haddeleme çıkışında nihai kalınlık ve genişlik değerlerine ulaşan malzemenin ebatsal kontrolleri ve sıcaklık kontrolleri düşük dalga boylarında ölçüm yapan pirometrik sistemlerle kontrol edilir ve kaydedilir. Ebatsal kontroller; kalınlık, genişlik, enine kalınlık dağılımı gibi kontrolleri içerirken sıcaklık kontrolleri şerit giriş ve çıkış sıcaklıkları kontrolünü içerir. Şerit hadde çıkış sıcaklığı ikmal sıcaklığı olarak adlandırılır ve bir sonraki aşama olan duşlu masada soğutma rejiminin belirlenmesi için önemlidir. İkmal sıcaklığı kimyasal kompozisyona bağlı olarak oluşacak ikincil fazlar açısından da önem taşımaktadır.
Duşlu Masa ve Bobin Sarma
Şerit hadde çıkışı nihai kalınlık ve genişlik değerlerine ulaşmış olan yassı ürün çelik kalitesine bağlı olarak 800°C-980°C arasında değişen ikmal sıcaklığına sahiptir. Buradan sonraki aşama soğutma işleminin yapıldığı duşlu masadır. Duşlu masada uygulanan soğutma rejimi yassı ürünün ikmal sıcaklığından sarılma sıcaklığına düşürülmesini sağlar ve burada ferrit dönüşümüyle birlikte tercihen statik rekristalizasyon ile hedeflenen mekanik değerlere ulaşılır. Termomekanik haddeleme ferritik dönüşüm açısından istisnadır. Bu işlemde ferritik dönüşüm şerit haddede ezme işlemi devam ederken başlar.
Endüstride kullanılan duşlu masa uzunlukları 100-200 metre arası değişkenlik gösterir. Soğutma işlemi hederlerden hem alt yüzey hem üst yüzeye verilen su ile yapılmaktadır. Üretilen yassı ürünün nihai mekanik özellikleri burada uygulanan soğuma hızı ile kontrol edilir. Örneğin 250 Mpa seviyesinde akma mukavemeti beklenen bir ticari çelik kalitesi için 15 °C/s soğuma hızı ve 730 °C sarılma sıcaklığı yeterli iken; 500 Mpa seviyesinde akma mukavemeti beklenen bir otomotiv şasi çeliği 35 °C/s soğuma hızı ve 600 °C’nin altında bir sarılma sıcaklığı gerekmektedir. Bu değerler kimyasal kompozisyona bağlı olarak değişkenlik gösterebilir. Rekristalizasyon bitiş sıcaklığı ve mikro alaşım elementlerinden elde edilecek çökelti fazlarının maksimum aktiviteye ulaştığı sıcaklıklar ikmal ve sarılma sıcaklığının belirlenmesinde önemli parametrelerdir.
Şerit haddeleme bölgesinde bahsedilen matematiksel modele sarılma sıcaklığı da tanımlanmıştır. Şerit hadde çıkışındaki fiili ikmal sıcaklığı değerine göre istenen sarılma sıcaklığına ulaşmak için ne kadar su verilmesi gerektiğini bu model hesaplar.
Soğutma işleminden sonra yassı ürün stoklama ve manipülasyon kolaylığı sağlamak açısından bobin sarma ünitesine alınır ve sarılarak bobin adı verilen ürüne dönüştürülür. Yassı ürünün sarıcıya iletimi esnasında merkezleme düzgün bir sarım işlemi için önem taşımaktadır ve merkezlemenin iyi yapılabilmesi için sarıcı öncesi yan yolluklar kullanılır. Merkezlenen yassı ürün pinch roll adı verilen merdane ile alınıp wrapper roll adı verilen sarma merdanesine iletilir. Bobin sarma işlemi için hidrolik veya pnömatik motorlar kullanılabilir. Kullanılan motorun devrinin hat hızı ile senkronize çalışması da sarım kalitesi açısından önemlidir. Aksi takdirde yığılmalar, katlanmalar meydana gelebilir
Sarım işlemi tamamlanmış sıcak haddelenmiş yassı ürün, beklenen nihai kalınlık ve kalite spesifikasyonlarına göre soğuk haddeleme işlemine girebilir veya doğrudan sevk edilip çeşitli şekillendirme proseslerinde kullanılabilir. Sarım işlemi tamamlanan bobin, konveyör vasıtasıyla hidrolik sarıcıdan alınarak soğumaya bırakılır ve bir sonraki prosese devam eder. Sıcak haddelenmiş bobin, doğrudan şekillendirme proseslerinde kullanılabileceği gibi, soğuk haddelendikten ve tavlandıktan sonra da nihai yassı ürün haline getirilebilir.
Soğuk Haddeleme
Soğuk haddeleme prosesi oda sıcaklığında gerçekleştirilen ve tesis yeterliliklerine göre 0,10mm-2,00 mm arası kalınlıklara inilen bir haddeleme prosesidir. Proses hidroklorik asit ile yüzeyin temizlenmesi ve tandem adı verilen ezme işleminin yapıldığı bölüm ile başlar. Endüstride genellikle dört veya beş ayaklı tandem haddeler tercih edilmektedir. Soğuk haddeleme işlemi sonrası uzamış tane yapısı elde edilir ve deformasyon sertleşmesinden dolayı yüksek mukavemetli ancak şekillendirilebilirlik özelliği çok düşük olan ürün elde edilir. Bu ürün full hard olarak adlandırılır ve gevrek yapıda olduğundan ticari olarak kullanıma uygun değildir. Soğuk haddeleme oda sıcaklığında gerçekleştiğinden rekristalizasyon görülmemektedir.
Tandem haddeden sonra yassı ürünün hedeflenen kalite spesifikasyonlarına ulaşabilmesi için tavlama işlemi yapılmalıdır. Tavlama işlemi sürekli tavlama veya yığın tavlama olarak iki farklı şekilde uygulanabilir. Tavlama işleminin amacı tandem hadde sonrası elde edilen uzamış tane yapısı eş eksenli hale getirerek nihai mekanik özellik beklentilerinin karşılanmasını sağlamaktadır.
Sürekli Tavlama
Asitleme ve tandem hadde sonrası full hard malzemeler nihai kullanıma uygun hale getirilmek için tavlanmaktadır. Sürekli tavlama hattının sürekliliğinin sağlanması için bobinler yaklaşık 25000 amper akımla bakır elektrotlar yardımıyla birbirine direnç kaynağı ile kaynaklanır. Kaynaklama sonrası şerit malzeme alkali elektrolitik temizleme ünitesine gelir. Temizleme ünitesi ön temizleme, fırçalama, elektrolitik temizleme, ikinci fırçalama, birinci durulama, ikinci durulama, birinci kurutma ve ikinci kurutma proseslerinden oluşur. Elektrolitik temizlemede şerit 13.5 pH’a sahip aşındırıcı alkali solüsyon ile temizlenir. Solüsyon içinde bulunan demir tozlarıyla malzeme üzerindeki tufal atılır. Temizleme sonrası kuru malzeme giriş loopuna dolar ve hat sürekliliği sağlanır.
Temizleme sonrası şerit, looptan ön ısıtma ünitesine (PHF) gelir. Burada 200 °C’ye kadar ısıtma sağlanır. Ön ısıtma sonrası malzeme istenilen sıcaklığa ulaşmak için ısıtma fırınına (RTH) gelir. Burada radyal tüpler ile HNX atmosferde doğalgaz ile ısıtma sağlanır. Fırının en alt ve en üst katlarında merdaneler bulunur. Şerit malzeme bu merdaneler arasından aşağı yukarı şeklinde geçerken ısınır. Isıtma sonrası tavlama için malzeme tav fırınına (SS) gelir. Tavlama sıcaklığı çelik kalitesine göre belirlenir. Örneğin, ticari kalitelerde 720 °C, derin çekme özelliği istenen çelik kalitelerinde 800- 850°C gibi tav sıcaklıkları seçilebilir.
Tavlama sonrası malzeme ani soğutma ünitesine (GJC) gelir. Bu ünitede bulunan soğutma motorları ortam atmosferini emer, soğutur ve tekrar ortama geri verir. Bu alanda şerit 550-600 °C’ye kadar soğutulmaktadır. Ardından rapid quench ünitesinde merdaneler arasında soğuk saf su ile 450-500 °C’ye soğutulur. Soğuma işlemi tamamlanan şerit yaşlandırma prosesi için overagening (OA) ünitesine gelir. Burada rekristalizasyon sonrası oluşan yeni tanelerin tane sınırında çökelmesini engellemek için 400 °C’de 120-150 saniye bekletilir. Yaşlandırma sonrası malzeme tekrar soğutma işlemi için final jet cooling (FJC) ünitesine gelir. Burada malzeme merdaneler arasından geçirilirken azotla soğutulmaktadır. Buradan çıkışta 80-100 şerit sıcaklığı °C seviyesindedir. FJC sonrası malzemeyi oda sıcaklığına ulaştırmak için soğutmanın son aşaması olan suyla soğutma yapılır. Kullanılan suyun pH değeri 7,5- 8 arasında olmalıdır. Tavlama işlemi tamamlanan bobin, endüstride temper olarak adlandırılan çok düşük miktarda ezmenin yapıldığı ve gergi ile profil kontrolünün sağlandığı işleme alınır. Burada süreksiz akma giderilir ve istenilen yüzey pürüzlülüğü değeri sağlanır.
Yığın Tavlama
Yığın tavlama işlemi sürekli tavlama işleminden farklı olarak uzun süreli ve bobinlerin üst üste dizilerek kutu tipi bir fırın içerisinde tavlandığı işlemdir. Full hard şeritler, temizleme işleminden sonra kaide adı verilen kutu tip fırın içerisine bobin olarak alınır. Tavlama tamamen hidrojen atmosferinde gerçekleştirilmektedir ve işlem süresi ortalama 15-20 saat mertebesindedir. Isıtma alttan doğalgaz ile sağlanmaktadır ve çelik kalitesine göre tav sıcaklığı değişkenlik göstermektedir. Isıtma işlemi tamamlandıktan sonra soğutma başlığı takılır ve bobinlerin oda sıcaklığına gelmesi sağlanır. Yığın tavlama işlemi sonrasında da sürekli tavlamaya benzer olarak temper işlemi uygulanır.
Sürekli tavlama ve yığın tavlama arasında operasyonel farklılıklar olduğu gibi işlem süresi bakımından da ciddi bir fark vardır. Sürekli tavlama işlemi dakikalar mertebesinde tamamlanırken, yığın tavlama işlemi 15-20 saat aralığında sürmektedir.
Bir diğer fark nihai tane yapısıdır. Sürekli tavlanmış bobinlerde yığın tavlanmış bobinlere göre daha düşük ve daha homojen tane boyutu ve elde edilir. Ayrıca sürekli tavlama daha iyi yüzey kalitesinin elde edildiği tav tipidir. Yığın tavlama ise daha iyi derin çekilebilirlik ve şekillendirilebilirlik özelliği sağlamaktadır. Tavlama tipi nihai üründen beklentilere göre seçilmektedir.
