Demir ve Çelik Endüstrisinde

DEMİR VE ÇELİK ENDÜSTRİSİNDE KİRECİN KULLANIMI Sönmemiş kireç - hem yüksek kalsiyum hem de dolomitik - Demir Çelik endüstrisindeki en kapsamlı olarak elektrik ark fırınında (EAF) ve Yüksek fırınlarda çeliği saflaştırmada kullanılır. Kireç fosforu, kükürdü ve silikayı ve daha düşük ölçüde manganezi arıtmada özellikle etkindir. Kirecin aynı zamanda çeliğin ikincil rafinesinde ve çelik ürünlerinin imalatında önemli kullanımları bulunmaktadır.

Elektrik Ark Fırınları

Elektrik ark fırınlarında, hurda demir ve çelik,  pik demir, demir cevheri ve zenginleştirilmiş demir cevheri bir fırına yerleştirilir ve elektrik akımından gelen ısının kullanımıyla ısıtılır. Sönmemiş kireç yada sönmüş kireç ve dolomitik kireç karışımı içeren bir kireç eritken eklenir. Toplam eritken miktarı çelik tonu başına 50 Kilogram civarında kullanılır ( %50’ye kadarı dolomitik kireç olabilir).  

Kireç eritkeninin yararları: Kireç eritkeni saf olmayan maddeleri arıtır ve çelikten ayrıştırılabilecek bir cüruf oluşturur ve fırından sıvı olarak alınır. Aynı zamanda refrakter aşınmasını ve gazlamayı azaltır ve uzun ark çalışması için köpük cürufu sağlayabilir. Özel fırın enjeksiyon uygulamalarınca daha özel bir ürün gerekmedikçe parça kireç kullanılır. 

Yüksek Fırınlarda Kireçtaşı Kullanımı

Demir genellikle, yüksek fırınlarda (yükseklik 100 m’ den fazla) demir cevherini (Fe2O3, Fe3O4) kok ve havayla birlikte redükleyici ortamda yakarak üretilir.

Fe2O3  +  3 CO  ®  2 Fe  +  3 CO2 ­
Bu arada oluşan  yanma gazları (CO, CO2, N2, ..), demir cevherlerinin ince ve sık taneli yüzeylerinden (0-8 mm) dışarı çıkmak için uygun yollar bulamazlar ve bu nedenle fırın bloke olma tehlikesiyle karşı karşıya kalır.Bu sorunu önlemek için cevherin fırına verilmeden önce topaklaştırılarak sertliğinin dolayısıyla gaz geçirgenliğinin arttırılması gerekir ki bu işleme aglomerasyon denir.

Demir cevherini aglomere etmek amacıyla, içine pulverize kömür ve kireç ürünleri  verdikten sonra yüksek sicakliklarda (1200 - 1400 °C) yakılır. Uygulanan prosese göre bu işleme sinterleştirme, briketleştirme veya peletleştirme adı verilir. Bu işlemlerin sonucunda 0-8 mm ebatlarindaki cevher; 2-2.5 cm ebadinda belli mukavemette sert parçacıklara dönüşür.

Aglomerasyon işlemine kireç ürünlerinin önemli katkısı vardır. Kömür tozuyla birlikte  % 10-12 oranında cevhere katılan öğütülmüş kireçtaşı (CaCO3), yak. 1200 - 1400 °C’ deki sinter sıcaklıklarında kalsine olarak cevherdeki silisyum ve alüminyumla reaksiyona girer ve kalsiyum silikat - alüminyum ferrit sistemini oluşturur. 

Bu bileşik, demir cevherinin ince taneciklerini bağlar ve belli bir sertlik kazandirir.
Kireçtaşının karışımda diğer bir önemli rolü, yüksek fırında curuf teşekkülü için gerekli olan CaO : SiO2 molar oranini belli araliklarda tutmaktir (1.5-1.7).
Bazi üreticiler cevhere ayriyaten % 1-2 veya daha fazla oranlarda öğütülmüş sönmemiş kireç (CaO) katarlar. 

Sönmemiş Kireç

1. Karişimda sönerek hidrate olur ve bilhassa küçük taneli (0.5-2 mm) cevherlerin yapışarak topaklaşmasını temin eder ve yatak geçirgenliğini de artırır.
2. Hidratasyon sırasında açiğa çıkan ısı (270 kcal/kg CaO), sinterleşme sıcaklığını        1400 °C’ den 1000 °C’ ye düşürerek enerji ekonomisi sağlar.
3. Sinterleşme  kapasitesini ve sinter topaklarının  mekanik mukavemetini artırır.
Karışımdaki dolomitin rolü ise yüksek fırında oluşacak curuf kompozisyonunu ayarlamak ve fırın refrakterlerini korumaktır.

Sinterleşmiş tipik bir demir cevheri analizi aşağidaki gibidir :
 

CaO

% 11.5

MgO

%  1.5

SiO2

%  5.0

Al2O3

% 1.5

FeO

% 11.0

Fe2O3

% 69.5


Pelet ve briket üretiminde de % 5’ e varan oranlarda kullanılan sönmüş kireç, cevher tanelerinin yapışıp form almasini sağlar.

Pik Demir üretimi (yüksek fırın prosesi)

Sıvı demir, aglomere edildikten sonra yüksek fırına verilen cevherin kokla indirgen şartlarda  yakılmasıyla elde edilir.

Fe2O3  +  3 CO  ®   2 Fe  +  3 CO2 ­
FeO       +     CO  ®      Fe  +      CO2 ­

Demir cevherinin yüksek fırınlarda demire indirgenmesi sırasında cevher veya koktan kaynaklanan safsızlıkları (kükürt, silisyum, alüminyum, mangan gibi) bertaraf etmek için; kireçtaşı kullanılır. Cevherdeki safsızlıklar genellikle yüksek erime sıcaklıklarına sahiptirler (örneğin Al2O3 : 1730 °C; kireç : 2570 °C) ve bu nedenle fırın sıcaklıklarında ayriştirilmalari çok zordur. Bununla beraber bir şans eseri olarak bu safsızlıkların kireçle olan bileşikleri 700 - 1400 °C gibi düşük sicakliklarda eriyerek demirden uzaklaştirilabilir.

Kireçtaşı fırında yüksek ısılarda kirece dönüşerek, safsızlıklarla etkin bir şekilde reaksiyona girer ve onlari düşük yoğunluklu curuf olarak eriyik yüzeyine çıkarır     (yak. 250 - 400 kg  curuf / t-demir).

CaCO3  ®   CaO + CO2­
CaO + FeS  ®  CaS (curuf) +  FeO
CaO + SiO2  ® CaSiO3 (curuf)
Genellikle curuf komponentleri

CaO - Al2O3 - SiO2 - MgO - S - Na2O
(%90)  şeklindedir.

Teşkil eden curufun akışkanlığının yüksek, erime noktasinin düşük olması gerekir. Bunun için de curufun bazik bir yapıda olmasi tercih edilir. Yüksek fırına verilen kireçtaşı, curuf bileşiğinin hem akışkanlığını arttırır (viskozite düşük) hem de safsızlıklarla düşük sıcaklıklarda bileşikler oluşturur. 

Cevherdeki safsızlık cinsi ve miktarına göre verilen kireç dozajı, baziklik derecesinin (CaO/SiO2) 1.1’ den daha fazla olmasini sağlayacak bir biçimde seçildiğinde iyi özelliklerde bazik yapida bir curuf elde edilmesi sağlanir (akışkanlık viskozitesi optimal : 1 - 5)

Fırına verilen kireçtaşınin miktari, cevherin saflık derecesine bağlı olmakla beraber genellikle bir ton demir bazında 160 - 200 kg arasında oynar. Yüksek fırın curufu Portland çimentosu yapımında kullanılır.

İkincil arıtma

Daha saf çeliğin gerektiği yerde genellikle ikincil arıtmaya  gereksinim duyulur. Birçok ikincil arıtma işlemleri, çelik sıcaklığının yada kimyasının ayarlanması, ek kirliliklerin giderilmesi, ve kirliliklerin cüruflardan geriye  emilmesinin önlenmesi gibi önemli işlevleri gerçekleştirmek için kireci kullanmaktadır. Ek olarak, sönmemiş kireç, kükürt ve fosforu ayırmak için eritken olarak kullanılan sentetik cüruf oluşturmak üzere florspar yada alümin gibi diğer maddelerle birlikte kullanılabilir. 

Çelik Ürünler

Sönmüş kirecin (ister kuru ister sulu olsun) çelik ürünlerin imalatında birtakım uygulamaları bulunmaktadır. Çelik çubuklardan tel çekmede yaygın biçimde kullanılır yada pik döküm kalıplarda yapışmayı önlemek için kullanılır 
Kireç, demir tuzlarının da çöktürüldüğü asit tabanlı atık dekapaj çözeltisinin nötrleştirilmesinde kullanılır. Çelik ürünlere bulaşmış olarak kalan dekapaj asidini nötrleştirmek için genellikle kireç banyosu kullanılır. Ayrıca olarak, çelik ürünler geçici aşınmaya karşı  korumak için kireçle kaplanabilir. Kok  yan ürünleri içindeki asidi nötrleştirmek için sönmüş kireç kullanılır.

Mermer