Yüksek Fırın Cürufu

Yüksek fırın cürufu, yüksek fırınlarda demir üretilirken elde edilen silis, kalsiyum alümin silis ve bazik kökenli bileşikler içeren ve ergimiş halde elde edilen atık bir malzemedir. Yüksek fırın cürufu (YFC), demir cevherinin demir metali üretilecek şekilde ergitilmesi sonucu oluşan bir üründür. Aslında, cüruflar metal ve alaşım endüstrilerinde, piro-metalurjik işlemlerin yan ürünleridir. Bileşimleri ve miktarları cürufun oluştuğu sürece ve işlemde kullanılan malzemelere bağlıdır.

Endüstriyel demir çelik ve metallerin üretimi sırasında üretilecek asıl ürünün dışında, yan ürünler meydana gelmektedir. Yan ürün olarak elde edilen bu malzemelerin depolanması büyük hacimlere ulaştığından sorun olmakta, çevre ekosistemine zarar vermektedir. Malzemelerin yapısal özellikleri araştırıldığında bir kısmı belirli oranlarda yapı endüstrisinde kullanılabilmektedir. İnşaat sektöründe cüruf, çimentonun üretimi sırasında, çimento ile ikame edilerek beton üretiminde, ince agrega ile ikame edilerek yine beton üretiminde cüruflar kullanılmaktadır. Alışılagelen demir, çelik üretiminden yan ürün olarak ortaya çıkan cüruflar, kristalize yapıları sebebiyle ham durumda puzolanik özelliğe sahip olmadıklarından beton ve çimento sektöründe tercih edilmezler. Önem arz etmeyen yol yapımındaki betonlarda kullanılırlar. Modern endüstriyel demir çelik üretiminden ortaya çıkan cüruflar, camsı (amorf) yapıda oldukları için çimento ve beton üretimlerinde kullanılmaktadırlar. (Çimento çeşitleri ve özellikleri)

Yüksek fırın cürufu demir çelik endüstrisinde yan ürün şeklinde elde edilip, beton sektöründe kullanılması doğal çevrenin korunmasına fayda sağlamakta olup, yüksek fırın cürufu öğütülmemiş halde beton teknolojisinde iri agrega olarak kullanılmakla birlikte beton üretiminde çimento ile yer değiştirilerek de kullanılmaktadır. Bu sayede CO2 salınımı yüksek oranlarda azaltılabilmektedir.

Yüksek fırın cürufunun oluşum sıcaklığı 1400-1600 °C’dir. Fırından çıkarılan cüruf yaklaşık olarak 1400–1600°C sıcaklığa sahip olduğundan, kullanım öncesi soğutulması gerekmektedir.

Yüksek fırın cürufu (YFC)’ler genellikle dört farklı şekilde katılaşır. Bunlar; kaplarda veya döküm yataklarda cürufun katılaştırılmasıyla elde edilen havada soğutulmuş cüruf, suda soğutulmuş granüle cüruf, köpürtme ile yüksek poroziteli su yapıları pomza cürufu, ısı yalıtımı için hava ya da buhar basılmış cüruf yünüdür

Yüksek fırın cüruflarının (YFC) tipi G ve H şeklinde belirtilir. Bu tiplerin belirlenmesinde cürufun kimyasal kompozisyonu ve ürün tipi belirleyici iki ana unsurdur.

G tipi ergimiş halde bulunan yüksek fırın cürufunun hava ortamında veya su miktarı az olan ortamda soğutulması sonucu tane boyutları çok ince şekline getirilen camsı yapıda, puzolanik özellik bakımından düşük seviyede olan bir tiptir.

H tipi ise sıvı şeklinde bulunan cürufun hava ve su kullanılarak söndürülen veya suyla doyurulan ve öğütme işlemi sonucu çok ince taneler haline getirilen puzolanik özellik bakımından kısmen daha yüksek ürün tipidir. Yüksek fırın cürufunun Tip H çeşidi camsı madde oranı bakımından yüksek olup çok hızlı bir şekilde soğultulduğu için düzensiz yapı fazladır ve bundan dolayı daha reaktiftir. Yüksek fırın cürufunun puzolanik aktivitelerinde kalsiyum içeriğine ek olarak, camsı madde bileşimi, tane boyutu ve özellikleri önemli rol oynar. Cürufun tane boyutundaki küçülmeler betonun erken yaştaki dayanımı olumlu etkiler. Tane boyutu 45 μm ve üstünde olan cüruf taneciklerin hidratasyonunda zorluklar olacağı için betonun dayanımına olumlu etki etmeleri beklenemez.

Yüksek fırın cürufu inşaat sektöründe yaygın olarak kullanılan bir atık malzemedir. Yüksek fırın cürufu, beton karışımlarında çimento yerine kısmi olarak kullanılır. Yüksek fırın cürufu içeren betonların erken yaş dayanımları düşük ve ileriki yaş dayanımları yüksektir. Ayrıca, betonda işlenebilirliği arttırır, priz süresini uzatır, su ihtiyacını ve hidratasyon ısınını azalttığı bilinmektedir. Yüksek fırın cürufunun terleme ve hidratasyon hızını azaltıcı yönde etki ettiği, taze betonun işlenebilmesini arttırdığı, çimento hamurunun prizini uzattığı, sertleşmiş betonda ise durabilite değerlerini kuvvetlendirdiği bilinmektedir.

Yüksek Fırın Cürufu Nasıl Üretilir?

Yüksek fırınlar, demir madenlerinin kok ve kireç taşıyla birlikte ergitilmesinde kullanılır. Kapasitelerine göre ise 30-90 m yüksekliğinde bulunan dikey ergitme fırınlarıdır. Fırınlarda en çok kullanılan yakıt kok kömürüdür. Demir cevherinin yabancı maddelerden arındırılması için kalker taşı demir cevherle yüksek fırına üstten katılmaktadır. Karbon kok kömüründen, oksitler demir cevherinden açığa çıkar ve bunların reaksiyonunda karbondioksit ve karbon monoksit birleşimi olarak fırından çıkar. Geride cüruf ismi verilen malzemeler kalır. Bu malzemeler eriyik halde demir, kireç, kül, silis, alümin, karbon, mangan, fosfor ve sülfürdür. Demir ve cüruf yoğunlukları farklı olduğu için ayrı çıkışlarla dışarı alınmaktadır.

Eriyik haldeki cüruf bir vibrasyon plakası üzerine dökülür. Genleşen cüruf su püskürtülerek soğutulur. Buradan da yaklaşık 1 m çapında çıkıntıları olan dönen bir tambura aktarılır. Granülasyon elde edilmesi tambur vasıtasıyla havaya fırlatılan cüruf havadaki çok hızlı soğuma sayesinde sağlanır. Cüruf oluşumunda ton başına yaklaşık 1 m3 su kullanıldığından cüruf yapısında yaklaşık %10 miktarda su içermektedir.
Cüruflar granüle hale getirilirken yapısında bulunan su, kurutucu değirmenlerde kurutulur ya da filtreli havuzlarda süzülmektedir. Yüksek fırın cürufları değirmenlerde çimento inceliğinde öğütülerek bağlayıcılık özelliğine kavuşabilmektedirler. Yüksek fırın cürufu öğütülerek, sodyum silikat, sodyum hidroksit veya kalsiyum hidroksitle veya Ca(OH)2 ile reaksiyona girdiğinde hidrolik özelliği bulunmaktadır. Bundan dolayı öğütülmüş yüksek fırın cürufu, cüruflu çimentoların yapısında, mineral katkı maddesi kullanılır veya çimento yerine ikame edilerek beton teknolojisinde kullanılmaktadır

Yüksek Fırın Cüruflu Beton

Yüksek fırın cürufunun çimento yerine belirli oranlarda ikame edilmesiyle üretilen betonların erken yaşlardaki beton dayanımlarının düşük olduğu zamanla dayanım kazanma hızının artmakta olduğu, yüksek fırın cürufu ikamesiz üretilen betonlardan daha yüksek nihai basınç dayanımlarına sahip olduğu görülmektedir. Betonların karışımlarında yüksek fırın cürufu bulunanların eğilme dayanımları geç yaşlarda hızlı şekilde artmakta buna karşın yüksek fırın cürufu olmadan üretilen betonlara göre eşit veya daha büyük eğilme dayanımlarına sahip olduğu görülmektedir.

Betonlarda erken yaşlarda dayanımı arttırmak için ikame edilen çimento oranını değiştirmeden yüksek fırın cürufu miktarını arttırmak veya öğüterek daha fazla inceltip kullanmak fayda sağlamaktadır. Yüksek fırın cürufları betonda kullanıldığında taze betonun işlenebilirliğini arttırmaktadırlar. Yüksek fırın cürufları gerektiği kadar ince öğütülmüş olarak betonlara katıldığı zaman beton karışımlarında bulunan matris fazını büyütür ve iri agrega tanelerinin homojen olarak dağılmasını kolaylaştırmaktadırlar.

Yüksek fırın cürufu çimentoya oranla daha uzun zamanda ve yavaş tepkimelere girdiği için betonların priz süresi uzamaktadır. Priz sürelerinin uzaması havanın sıcak olduğu zamanlarda avantajlı olmasına karşın soğuk havalarda priz hızlandırıcı kullanılması gerekmektedir. Yüksek fırın cürufunun çimento ile ikame edilmesi durumunda beton üretiminde bağlayıcı olarak kullanılan çimentonun miktarını azaltmakta bunun sonucunda ise betonun hidratasyon ısısı azalmaktadır. Bundan dolayı da termik rötre oluşmaması için betonlarda bağlayıcı malzemeler kullanılırken hidratasyon ısısı düşük olanlar kullanılmalıdır. Betonun terleme olayını azaltmak için çimento daneleri arasına çok ince öğütülmüş yüksek fırın cürufu girmesi olumlu sonuç vermektedir. Bu bağlamda betondaki ayrışmalar ve rötre çatlakları azalmaktadır.

Yüksek Fırın Cüruflarının Aktivitesini ve Bağlayıcı Özelliklerini Etkileyen Faktörler

Cürufların çimento ve betona olan etkisi, puzolanların etkilerine paralel olarak, cürufun niteliğiyle ilişkilidir.

Öğütülmüş granüle yüksek fırın cüruflarının beton üretiminde kullanıldıklarında bağlayıcılık özelliklerini değiştirebilen etkenler:

• Cürufların kimyasal içeriği
• Reaksiyon sistemindeki alkali konsantrasyonu
• Cürufların ve aynı bileşimde kullanılan Portland çimentosunun inceliği
• Üretim ortamının sıcaklığı
• Cüruf içerisindeki amorf yapının miktarı

Yüksek Fırın Cüruflarının Beton Özelliklerine Etkileri Olumlu Etkileri

1. Taze betonun işlenebilirliğini artırır.
2. Priz süresini uzatır.
3. Betonun terlemesini azaltır.
4. Hidratasyon ısısını düşürür.
5. Sertleşmiş betonun su geçirimliliğini düşürür.
6. Sertleşmiş betonun sülfata dayanıklılığını artırır.

Yüksek Fırın Cüruflarının Beton Özelliklerine Etkileri Olumsuz Etkileri

1. Taze betonun soğuk havalarda daha geç priz almasına neden olur.
2. Taze betonda istenilen ölçüde sürüklenmiş hava elde etmek için daha fazla hava sürükleyici kullanmak gerekir.
3. Sertleşmiş betonun ilk günlerdeki dayanım artışı daha yavaş olur.