Çelik Üretimi

Çelik üretimi, demir cevherinden yapılır. Doğada demir cevheri; oksitler (magnetit (Fe3O4) ve hematit (Fe2O)), hidroksitler (geotit (FeO(OH)) ve limonit (FeO(OH)·nH3O)), karbonatlar (siderit(Fe2CO)) ve diğer maddelerle karışık olarak bulunmaktadır. Hemen tüm cevher türleri Silisyum Oksit (Si2O) ihtiva etmektedirler. Çoğu cevher türleri az miktarda Fosfor, Alüminyum, Kükürt, vb. elementler içermektedir.

Demir cevherleri

• Magnetit,
• Hematit,
• Geotit,
• Limonit
• Siderit’tir.

Demir üretiminde, yaklaşık olarak bir ton demir üretimi için yedi ton hammadde gereklidir:

• 2.0 ton demir cevher,

• 3.5 ton gaz,

• 1.0 ton kok kömürü,

• 0.5 ton kireç taşı,

Cevherler yüksek fırında kok kömür ile yakılıp ergitilerek ham demir elde edilir. Kok kömürünün iki fonksiyonu vardır; birincisi gerekli sıcaklığı sağlamak, ikincisi ise erimiş demir cevheri ile tepkimeye girecek CO’i üretmektir. Kok kömürdeki karbon demir ile alaşım meydana getirir, ayrıca bu alaşım yani ham demir cevherden gelen Silisyum, Alüminyum, Kükürt gibi maddeleri de ihtiva eder. İşlem sonunda cüruf ve yüksek fırın gazları da ortaya çıkar. Cüruf, yoğunluğu az olduğundan ergimiş ham demirin üzerinde toplanır ve yüksek fırındaki cüruf deliğinden dışarıya atılır.

Elde edilen ham demirin karbon oranı yüksek (%3-5) olduğundan şekil değiştirmeye ve kaynaklanabilmeye elverişli değildir. Elde edilen bu malzemeye font denilmektedir. Fontun çekme mukavemeti çok düşüktür. Döküm malzemesi olarak kullanılır. Fontun işlenebilmesini sağlamak amacıyla “ısıl işlem” uygulanarak bünyesindeki karbon miktarının azaltılması ve fosforun uzaklaştırılması gerekmektedir. Isıl işlemde asıl amaç erimiş malzemeye nemli hava veya direk oksijen üflenmesiyle bünyedeki karbonun oksijen ile tepkimeye girmesini sağlamaktır. Ham demir işlenerek, kullanılan yöntem ve katkılara bağlı olarak çelik veya dökme demir üretilebilir.

Başlıca ısıl işlem yöntemleri;

1-Siemens-Martin Yöntemi,

2-Elektrik Arkı Yöntemi,

3-Oksijen Üfleme Yöntemidir.

Bu yöntemler sonucunda dökme çelik, dövme çelik veya hadde ürünü çelik elde edilir.

Siemens-Martin Yöntemi

Elektrik Arkı Yöntemi

Oksijen Üfleme Yönteminin Şematik Gösterimi

(1) hurda yüklemesi, (2) yüksek fırından gelen pik demir, (3) Oksijen üfleme, (4) sıvı çeliğin alınması, alaşım elementleri ve bazı ilavelerin katılması, (5)cürufun alınması

 Demir 1535ºC ‘de erimektedir. Erimiş demir sıcaklığı azaldıkça küp şeklinde kristalleşerek δ (delta) demirini oluşturur. 1400ºC’de demir berkir ve δ demiri γ (gama) demirine çevrilir, devamında da demirin en son formu α demiri olarak adlandırılan formları alır.

Demir eriğine karbon ilavesiyle karbon miktarı ve soğuma rejimine göre 910 ºC’ye kadar östenit, 723 ºC’den sonra da perlit kristalleri oluşur. Oda sıcaklığına kadar soğutulan çelik sementit ve ferrit tanelerinden oluşmaktadır. Ferrit çok sünek ve az mukavemetli olup, sementit bunu aksine çok sert ve gevrektir. Perlit bunların her ikisini bünyesinde bulunduran formdur. Ferrit ve sementit tanelerinin miktarı çeliğin mekanik özelliklerine göre direkt etki etmektedir.

Çeliğin dayanımı ve dayanıklılığı muhtelif malzemelerin ilavesiyle değişkenlik göstermektedir. Katılan başlıca malzemeler, karbon, silisyum, aliminyum, manganez, bakır, molibden, azot, forfor ve kükürttür. Bu elementlerin miktarları çeliğin dayanımını ve sünekliğini etkilemektedir. İlgili standartlarca bu malzemelerin miktarları çelik sınıflarını belirlemektedir.

Çeliğin soğuma rejimi de mekanik özelliklerini doğrudan etkilemektedir. Çeliğin faz seviyesine uygun olarak ısıtılıp tekrar faz değişim hızından daha hızlı bir şekilde soğutulması (tavlama) çok az miktarda karbon ayrılmasına sebep olacaktır. Bu durumda çeliğin mukavemeti yükselirken plastiklik özelliği azalarak gevrekleşmektedir.