Vakumda metalotermik yöntem ile kalsiyum redüksiyonuna etki eden parametrelerin incelenmesi

Kalsiyum toprak alkalileri grubundan olan metalik bir elementtir ve yeryüzünde en çok bulunan elementler arasında 5. sırada yer almaktadır. İsmi Latincede "kireç" anlamına gelmekte olan "calx" sözcüğünden türetilmiştir. İlk olarak 1808'de Lumphru Davy tarafından kalsiyum hidroksitten elektroliz yoluyla elde edilmiştir. Spesifik ağırlığı 1,55 g/cm³ ve ergime sıcaklığı 851°C'dir. Kaynama sıcaklığı ise 1440°C'dir. İnsan vücudunda makro yapı olarak bulunmaktadır ve elektrik iletkenliği açısından diğer metallere göre daha iyi özellik göstermektedir. Sertlik skalasında sodyum ve alüminyum arasında bulunur. Kalsiyum metali üretimi için birden çok yöntem uygulanmıştır. Metalik kalsiyum ilk defa eritilmiş kalsiyum klorürün elektrolizi yöntemi ile elde edilmiştir. Bu prosesde elektrolit kabı olarak porselen veya demir kaplar kullanılmaz bunun nedeni yüksek sıcaklıklarda yapılan bu proseste erimiş kalsiyum klorür bu tür kaplara tesir etmesidir. Bu nedenle genellikle grafitten yapılmış kaplar kullanılmaktadır. Diğer bir yöntemde ise eritilmiş kalsiyum iyodürü sodyum ile reaksiyona sokulmakta ve CaI2 + 2Na → Ca + 2NaI göre ayrılmış olan kalsiyum, sodyumun fazlasıyla alaşım yapar. Sonrasında kristallerden saf alkol ile sodyum uzaklaştırılarak kalsiyum metali elde edilir. Kalsiyum metali genellikle yüksek sıcaklıkta CaO'nun alüminyum metali ile indirgenmesi yoluyla elde edilir. Bu işlemi gerçekleştirmek için düşük basınç ve yüksek sıcaklık gerekmektedir. Bu şartlar sağlandıktan sonra kalsiyum metali vakum ortamında redüksiyon sonrasında diğer maddelerden ayrışıp saflaştırılır. Endüstriyel üretimde kalsiyum metali bikarbonat, eritilmiş kalsiyum klorür ve cevherin hidroklarit asit ile proses edilmesiyle elde edilir. Yapılan bu işleme elektroliz adı verilir. Elektroliz işleminde grafit kap anot olarak kullanılırken, erimiş kalsiyum klorüre batırılmış demir çubuk da katot görevini yapmaktadır. İşlem sonrasında ise metalik kalsiyum katot etrafında toplanır. Günümüzde metalik kalsiyum üretimi uygun kireç taşının hammadde olarak kullanıldığı prosesler ile üretilmektedir. Kireç taşı (CaCO3) kalsinasyon işlemi sonucunda CaO'e dönüştürülmekte ve bu kalsine vakumda alüminyum ile redüksiyona sokularak kalsiyum elde edilmektedir. Bu prosesde kalsinasyon işleminde açığa çıkan CO2 prosesin çevre ve enerji açısından sorgulanmasına yol açmaktadır. Yapılan bu tez çalışmasında kalsiyum üretiminde çevreye olumsuz etkisi olan CO2 salınımına ve yüksek enerji tüketimine sebep olan kalsinasyon kademesini ortadan kaldırmak amacıyla pirometalurjik magnezyum redüksiyon atıkları hammadde olarak seçilmiştir. Bu atıklar %57,65 CaO içermekte olup vakumda metalotermik prosesle 1 ve 10 lt'lik retortlarda farklı ilave, süre ve sıcaklıklarda reaksiyona sokulmuş, bu değişkenlerin kalsiyum redüksiyon verimi ve nihai kalıntının bileşimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Redükleyici madde olarak seçilen alüminyumun redüksiyon davranışına etkisi önce termodinamik hesaplamalar daha sonra da deneysel çalışmalar ile ortaya koyulmuştur. Deneylerin ilk aşamasında Mg redüksiyon curufu, Al redüktan kullanılarak vakum ortamında 1 litrelik retort içerisinde redüklenmiştir. Deneyler 60 dk, 120 dk, 180 dk ve 240 dk'da 1200℃, 1250℃ ve 1300℃ sıcaklıklarda yapılmıştır. Mg redüksiyon curufundan metalik kalsiyum üretimi için en yüksek verim olan %72,2 için proses parametreleri olarak 1300℃'de %150 Al stokiyometri ilavesi ve 480 dk olarak belirlenen deney şartlarında elde edilmiştir. Yarı pilot çapta ise 10 litrelik retortlarda yapılan kalsiyum redüksiyon çalışmalarında metalik kalsiyumun taç olarak elde edilmesi amaçlanmıştır. Yapılan deney sonucunda 1300℃, %150 Al stokiyometri ve 480 dk proses parametrelerinde metalik kalsiyum üretim verimi %61,3 olarak elde edilmiştir.