Eyüp YAYLACI

Demir Çelik Sektöründe Vakum Altında Gaz Giderme Yöntemleri

Sıvı çeliğin gazdan arındırılması bugün çelik imalatçıları tarafından birçok ikincil derece çelik yapım çalışmalarında kullanılabilmektedir. Sıvı çeliğin ikinci derece çelik yapım süreci bazik oksijen fırını (BOF) veya elektrikli ark fırını (EAF) ile ayrıldıktan sonra çeliğin ingotlar halinde ya da sürekli bir döküm ünitesi tarafından işlenmesidir. Vakum giderimi sıvı çeliği düşük vakumun etkisine maruz bırakmaktadır. Doğru (gerçek) vakum işlemi (süreci) çelik imalatçısının amacına bağlıdır, fakat yaygın olan kesin vakumu 1 Tor’dan aşağı seviyeye getirmektir. Vakum gazdan arındırmanın başlıca hedefleri aşağıdaki gibidir:

  • Dökme çelik içindeki çözünmüş gazların (hidrojen, nitrojen ve oksijen) redüksiyonu (indirgenmesi)

  • Ergimiş çelikten çözünmüş karbonun indirgenmesi

  • Paslanmaz çelik cinslerinin tasfiyesinin uygulama içinde çözünmüş karbon üzerindeki kromun ayrıcalıklı oksitlenmesi

Vakum gazdan arındırma aşağıdaki faydaları sağlamaktadır:

  • Sıvı çelik bileşiminin homojenleştirilmesi ve ısı banyosu

  • Sıvı çelikten oksit içeren maddelerin ayrılması

  • Desülfürizasyon için uygun teknik şartları bulmak

  • Ark ile tekrar ısıtmanın ya da çelik içindeki çözelti ayracının oksitlenmesi sayesinde yeniden ısıtılması.

Çözünmüş Gazların İndirgenmesi (Redüksiyonu)


Alçak basınçlı bir atmosferin (vakum gibi) sıvı çeliğe bıraktığı etki çelik imalatçılarına birçok yarar sağlamaktadır. Bunlardan ilki çözünmüş gazların indirgenmesidir. Hidrojenin indirgenmesi vakum gazdan arındırma için temel hedeftir. Nitrojende vakum ile giderimi sırasında indirgenebilir. Fakat bu dikkate alınmalıdır, çünkü bu sınırlı nitrojenin indirgenmesi hidrojenin indirgenmesi gibi kolay değildir. Vakumun son aşamasına ve giderilen gaz oranına ek olarak sıvı çelik içindeki sülfür ve indirgenen nitrojen, oksijen miktarına bağlıdır. Bu aktif yüzey elementleri indirgenen nitrojen oranını önemli ölçüde kısıtlamaktadır. Azalan çelik içindeki çözünmüş gazların çözünürlüğü çelik gibi katılaşır ve soğur. Bunun içerdiği sonuçlar iç basınç, çelik içindeki küçük delikler, yarıklar ve ince tabakalar halindeki parçalardır. Vakum etkisine maruz kalan Sıvı çelik iç basınçtan kurtulmak için çözünmüş gaz içeriğini reddedebilir.

Sıvı çelik içindeki erimiş gazların miktarı erimiş gazların kısmi basıncının kareköküyle orantılıdır. Bu ilişki Sievert tarafından belirlenmiştir ve aşağıdaki denklemle ifade edilmektedir;

[% X] = K (P*2)1/2

[%X]: Erimiş çelik içindeki erimiş gazların yüzdesini

K: Sabit dengeyi

P*2: Atmosfer açısından erimiş gazların kısmi basınçlarını ifade etmektedir.

Hidrojen ve nitrojen için bu ilişki aşağıdaki gibidir.

[H ppm] = 25,6 * (P H2)1/2 at 1600˚C

[N ppm] = 456,7 * (P N2)1/2 at 1600˚C

Çeşitli kısmi basınçlarda hidrojen ve nitrojenin çözünürlük dengesi Şekil 3’te gösterilmektedir. Her vakum altında gaz giderme sisteminde çözünmüş gaz nakil miktarını etkileyen durumlar şunlardır:

  • Vakuma maruz kalan erimiş çeliğin yüzeyi

  • Çelik difüzyonu için boş yol (alan) yapmak

  • Vakum altında gaz gidermeden önce yeniden oksitlenmenin miktar ve çeşitlerini kullanmak

  • İlk eriyen gaz içeriği

  • Arındırılan (tasfiye edilen) gazların kullanımı

  • Vakum gazdan arındırma sırasında çözünmüş gazların kirli ortamdan (hava, nem, cüruf refrakter) toplanması


Karbon – Oksijen Nakli


Vakum altında gaz giderme aşırı düşük karbon çeliklerinin üretilmesinde kullanılabilir. Sıvı çeliğin oksitli çevreye (cüruf ya da oksijen enjeksiyonu) yaptığı etki çeliğin karbon içeriğini azaltacaktır. Ayrıca, çeliğin oksijen içeriği aşağıdaki reaksiyonla (tepkimeyle) indirgenmiş olacaktır:

[C] + [O] = CO(g)

[C] ve [O] çelik içindeki çözünmüş karbon ve oksijen seviyeleridir. Bu reaksiyon için denge (denklik) ilişkisi aşağıdaki gibidir:

[%C] * [%O] = 0.002 * P CO at 1600˚C

Uygun vakum şartları altında, çelik %0.005’ten daha az seviyede karbondan arınabilmektedir. Şekil 4; 1600˚C (2912°F) de sıvı çelik içindeki CO’nun ikili kısmi basınçlarının karbon-oksijen ilişkisini göstermektedir.

Ayrıcalıklı ( Öncelikli) Oksitlenme


Vakum altında gaz gidermenin diğer uygulaması paslanmaz çeliğin üretimidir. Çeşitli basınç ve ısılarda eritilen yüksek krom içinde karbonun kromdan fazla ayrıcalıklı oksitlenmesi Şekil 5’te gösterilmektedir. Paslanmaz çeliğin eritilmesi karbon redüksiyon termodinamiklerinin yüksek bir ısıyla işlenmesini ya da oksitlenmeyen fazla krom miktarına ihtiyacı olan CO’nun düşük kısmi basıncını göstermektedir. Yüksek ısılarda yapılan paslanmaz çelik üretimi düşük verimlilik, çok kolay işlenemeyen ürünler ve masraflı çalışma ile sonuçlanmaktadır. İndirgenen kısmi basınç, daha düşük ısılı işlemlerde düşük kaliteli paslanmaz çelik üretebilmektedir. CO kısmi basıncın indirgenmesi sıvı eriyiğin vakuma maruz bıraktığı etki ya da CO ile argonun seyreltilmesiyle tamamlanabilir. Bunlardan ilki Argon Oksijen Dekarbürasyonu (AOD) ve ikincisi Vakum Oksijen Dekarbürasyonu (VOD) olarak bilinir.

Vakum Gazdan Arındırma Yöntemleri

Vakum gazdan arındırmanın 3 temel yöntemi vardır; akım, yeniden dolaşım ve külçe. Bu 3 metot bir çeşit grup yöntemidir. Vakum altında gaz giderme yönteminin seçimi birçok faktöre bağlıdır. Vakum altında gaz giderme içerdiği başlıca faktörler: Sermaye yatırımı, işlem maliyetleri, ısı kayıpları, tonaj verileri (çıktıları), yer sınırlamaları revizyon (geri dönüşüm) süresidir.

1) Akımla Gazdan Arındırma


Akımla gazdan arındırma süreci külçelerin içindeki sıvının akıtılarak boşaltılması ve kalıba alınarak dolu hale getirilmesiyle olmaktadır. Akımla gazdan arındırma için düşük basınçlı atmosfer (vakum) vakum odasında ya da dolu olan külçelerin vakumlu alanda kullanılmasıyla meydana gelmektedir.

Her iki sistem için de, çelik başka bir külçe içine aktarılırken dökülen sayısız damlacıkların parçalanması, vakumun çeliği maruz bıraktığı etki gibidir. Akımla gaz gidermenin içerdiği olası sıralama külçe kalıbı (LMD) ladle to ladle (LLD) ve gazdan arındırmanın kullanılmasıdır (TD).

2) Revizyonla ( Yeniden Dolaşımla) Gazdan Arındırma

Revizyonla gaz giderim süreci, düşük basınç etkisine maruz kalan boşaltılmış bir oda içine atmosferik basınçla külçe içindeki sıvı çeliğin sıkıştırılması ve sonra tekrar külçeye dönüşmesiyle meydana gelmektedir. Gaz gidermede istenen seviye meydana gelene kadar çelik, boşaltım odasının içinde dolaşır. Bu devir 30 ila 60 kez tekrarlanır. Revizyonla gazdan arındırmanın içerdiği olası sıralama Dortmond Horder (DH) – tek şinorkel ve Ruhrstahl Heraeus (RH) – ikili şinorkeldir.

3) Külçe ile Gazdan Arındırma

Külçe gazdan arındırma ya da (tüp-tank) gazdan arındırma süreci vakum kapağının direk olarak çelik külçesi üzerine yerleştirilmesi ya da dolu çelik külçesinin vakum tankı (deposu) içine yerleştirilmesiyle meydana gelmektedir (Şekil 1). Çelik ya indüksiyon hareketi ya da gaz hareketiyle (geçirgen fişler gibi) vakuma maruz kalır ve külçenin üstünde dolaşır. Külçe ile gazdan arındırmanın içerdiği olası sıralama Vacuum Tank Degasser (VTD), Vacuum Arc Degassing (VAD), Vacuum Oxygen Decarburization (VOD) ve Lid Degasser (LD). Külçe vakum-işleyiş sürecinin içerdiği ana koşullar:

Fribord: (külçe kenarı ve metal ara yüzeyi arasındaki uzaklık) Vakum işlemi ve aşağı pompalama sırasında çeliğin kaynama yoğunluğu ve yöntemin içerdiği cüruf yeterli olmak zorundadır. Külçe gazdan arındırma istasyonunda uzun bir kapsamlı işlem süresi dolayısıyla ve daha dikkatli kontrol edilmiş aşağı pompalama fribordun az da olsa yavaşlamasını gerektirecektir. Tablo1’de külçe gaz giderme yönteminde aşağıya pompalaması ve fribord için ana hatları gösterilmektedir.

Külçe Hareketi: Külçe hareketi için 2 metot vardır, geçirgen priz ve/veya indüksiyon hareketinin kesintisiz gaz hareketi için kullanımı. Gazdan arındırma sırasında çalışma ve metalurji süreci için sıvı çelik uygun olan değişken gerilimlerde hareket etmek zorundadır.

Gaz hareketine özgü olarak, aşağı pompalama sırasında akım oranı azaltılır, ancak derin gazdan arındırma sırasında yükseltilir. Bu yükseltme çelik içindeki çözünmüş gazların argon içine alınması ve çeliğin vakumla etkileşimidir.

Isı Kaybı: Sürecin başlangıcında çeliğin ısısı yeterli olmalı, gazdan arındırma sırasında ısı kaybı, sakin çalkalama hareketinin ardından vakuma maruz kalan ve merkez telin sonraki beslemesi göz önüne alınmalıdır.

İnceltme Cürufu: Çelik inceltme cürufunun ağırlığıyla kaplı olmak zorundadır (yoğunluktan dolayı), bileşim ve akıcılık (akışkanlık) süreç hedefleri için uygun olmalıdır. Örneğin, tipik gaz nakli ve kükürtten arındırma (kükürdünü giderme) için en düşük sülfür seviyesine göre, cüruf tam oksitsizleştirilmelidir.

Vakum Tank Degasser (VTD) birçok farklı sıralandırmayı kesintisiz çelik akımı ve iş düzenlemesine bağlı olarak yapılandırmaktadır. Sabit, ana-kakma ikiz-tank (depo) sıralaması Şekil 6’da gösterilmektedir. Birinci tüp ısıtma sürecindeyken ikinci tüp bir sonraki ısıtma süreci için hazırdır. Tank gaz giderme, vakum-işlem süreci sırasında tamamlayıcı yapısal öğeler vakum-tank montajını destekler.


Vakum Pompalama Sistemi

Vakum pompalama sisteminin içerdiği hedefler için istenen parametreler şunlardır:

  • Hidrojen, nitrojen ve oksijen içiren cüruf ve çelikten, çözünmüş gazların giderilmesi. (Ayrıntılı olarak bu gazlar kesin basınç, kimyasal çelik ve argon akım oranına bağlı olarak farklı oranlarda giderilir.)

  • Sistem yoğunluğu, tank (tüpü) kapsama, oda ve kanaldan dışarı atma ve derin vakum gazdan arındırma işleminden sisteme gerekli olan süreç (işlem) zamanını azaltılma

  • Sistemin sonuncu (kesin) basıncı, bu ortamın ihtiyaç duyduğu istenen vakum seviyesine ulaşan miktarın belirlenmesi ve sistemin hedef noktası diye bilinir.

  • Gazdan arındırma sırasında gereken argon miktarı, çözünmüş gazların giderilme oranı ve hareketli enerjide belirlendiği gibidir.

  • Sızma oranı, sistemin içine sızan hava oranıdır.

Referanslar

  1. Ahindra Ghosh, Secondary Steelmaking, Principles and Applications, CRC Press LLC, New York, NY, 2001.

  2. E. T. Turkdogan, Fundamentals of Steelmaking, The University Press, Cambridge, UK, 1996.

  3. M. A. Orehoski and R. D. Gray, “Ladle Refining Processes,” AISE Fall Meeting, Pittsburgh, PA, 1985

  4. K.J. Shoop, R.W. Arnold and K. Perala, “Start up and Commissioning of a Twin Tank Vacuum Degasser for SDI’s Structural and Rail Mill”, AISTech 2004, Indianapolis, I

Eyüp YAYLACI