Yüksek fırın baca tozlarının ferromanganez üretiminde kullanılması

Yüksek fırında sıvı ham demir üretimi sırasında yaklaşık 2 ton atık madde oluşmaktadır. Sıvı ham demir üretiminin yanında baca gazı, curuf, gaz temizleme sistemlerinde oluşan tozlar ve çamurlar gibi bazı yan ürünler de oluşmaktadır. Yüksek fırında reaksiyonlar ve dönüşümler sonucunda oluşan gazlar fırını terk ederken tozları da birlikte fırın dışına taşırlar. Genel olarak baca gazlarındaki büyük partiküller kuru toz temizleme sistemlerinde giderilirken, küçük partiküller ise yaş gaz temizleme sistemlerinde giderilir. Bu kalıntılar demir, silisyum, kalsiyum, magnezyum, alüminyum gibi değerli metallerle birlikte kok parçacıkları halinde karbon içermektedir. Bunların yanı sıra, atıklar önemli miktarda ağır metal içerebilir ve bunların gömülerek depolanması veya toprağa yayılması ciddi çevresel sorunlar yaratabilir. Bu nedenle bu kalıntıların üretildiği sistemlerde veya bu amaçlar için kurulmuş endüstriyel tesislerde geri kazanımları ve yeniden kullanımları, çevresel koruma ve metal-mineral kaynaklarının korunması açısından önemlidir. Yüksek fırında üretilen her ton sıvı ham demirin %4'ü ile %7'si arasında, %15-40 Fe, %25-40 C ve %4-8 SiO2 içeren baca tozu ve çamuru oluşmaktadır. Önemli oranlarda Fe ve C içeren bu tozların, üretim verimliliğini artırmak, ürün kalitesine ve çevreye olabilecek zararlı etkilerini önlemek için doğru kullanılmaları gereklidir. Entegre tesislerde kaba baca tozu ve baca çamuru olarak ifade edilen artıklardan; kaba tozların sinter ve peletleme işlemlerine katıldığı, çamurun ise bertarafının gerçekleştirildiği mevcut uygulamalar arasındadır. Sıvı ham demir üretimi sonucu oluşan yüksek fırın baca tozlarının değerlendirilmesi önemliyken, çelik üretimi için bir başka öneme sahip olan madde de manganezdir. Manganez yer kabuğunda yaygın olarak bulunan elementlerden biridir. Ortalama konsantrasyonu yer kabuğunun %0,1'ine ulaşmaktadır. Üretilen manganez cevherinin %90-95'i çeşitli amaçlarla Demir-Çelik endüstrisinde kullanılmaktadır. Manganez çeliğe alaşım elementi olarak, çeliğin mukavemetini, tokluğunu ve sertliğini artırmak için eklenir. Ayrıca çelik içerisinde kükürt ile sülfür bileşiği oluşturarak kükürt bileşiklerinin kontrolünü sağlar. Oluşturulan manganez sülfür bileşiği ile, sıcak yırtılmalara neden olan demir sülfür yapısının oluşması engellenir. Manganezin çelikte kullanımının bir diğer nedeni ise manganezin oksijen giderici olarak görev yapmasıdır. Alüminyum ve silisyumdan sonra deoksidasyon işleminde kullanılan önemli deoksidanttır. Bu nedenle manganez temiz çelik üretiminde önemli rol oynamaktadır. Manganez büyük oranda ferromanganez alaşımı olarak kullanılmaktadır. Bu nedenlerle yapılan bu çalışmada yüksek fırın baca tozlarının ferromanganez üretiminde kullanılmasına yönelik araştırmalar ve çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmada, yüksek fırında sıvı ham demir üretimi sırasında oluşan baca tozlarının ferromanganez üretiminde kullanılarak, baca tozu bileşimindeki demirin geri kazanılabilirliğinin ve karbonun da indirgen olarak kullanılabilirliğinin araştırılması yapılmıştır. Bu doğrultuda yapılan literatür çalışmaları neticesinde, ferromanganez üretim yöntemleri incelenmiş ve termodinamik koşulları araştırılmıştır. Daha sonrasında manganez kaynağı olarak manganez cevheri, demir kaynağı olarak demir çelik endüstrisinin bir artığı olan tufal ve redükleyici madde olarak kok ile birlikte tüp fırında, argon atmosferi altında katı hal redüksiyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Optimum redüksiyon şartları; yapılan teorik redüksiyon hesaplamaları ve X ışını kırınımı analizleri sonucunda 1200 oC deney sıcaklığı, 2 saat deney süresi ve %200 stokiyometrik karbon oranı olarak belirlenmiştir. Bu şartlarda yapılan deneylerde %60,97 redüksiyon oranına ulaşılmıştır. Belirlenen bu şartlarda sisteme demir kaynağı olarak yüksek fırın baca tozu ilave edilerek manganez cevheri ve kok ile birlikte katı hal redüksiyon işlemleri devam ettirilmiştir. Deneyler sonucunda teorik redüksiyon oranı hesaplamaları ve X ışını kırınımı analizleri gerçekleştirilmiştir. Baca tozu ile gerçekleştirilen deneyler sonrasında yapılan analiz sonuçları ilk aşamada yapılan redüksiyon deneyleri sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Baca tozu bileşimindeki demir oksitlerin redüklenebilirliği ve karbonun indirgen olarak kullanılabilirliği incelenmiştir. Elde edilen %68,35 ve %67,10'luk redüksiyon oranları ile ilk aşamaya göre redüksiyon oranının artığı sonucuna ulaşılmıştır. Üçüncü grup deneylerde ise katı hal redüksiyon işlemleri gerçekleştirilen metal oksitlerin curuflaştırıcı ergitme işlemleri elektrik direnç fırınında 1600 oC'de, 1 baziklik oranında (CaO/SiO2=1), harmanın %5'i kadar fluşpat (CaF2) ilavesi ile ve 1,5 saat deney süresinde gerçekleştirilmiştir. Deneyden sonra pota kırılarak metal curuf ayrımı yapılmış yaklaşık %74 verimle metal elde edilmiştir. Elde edilen metalik kısmın mikro yapı incelemeleri, mikro sertlik ölçümleri ve EDS analizleri gerçekleştirilmiştir. Mikro yapı incelemeleri sonucunda yapıda iki farklı fazın olduğu tespit edilmiştir. Bu fazlardan birinin ortalama sertliği yapılan mikro sertlik ölçümleri sırasında 1000 HV, diğer fazın ortalama sertliği ise 790 HV olarak ölçülmüştür. Bu derece yüksek sertlik değerlerine sahip fazların olması metalik yapının, Mn7C3 ve Fe3C karbür yapılarından oluştuğunu göstermektedir. Elde edilen bu metale yapılan EDS analizleri sonucunda Mn verimi %78-83 arasında olduğu tespit edilmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda yüksek fırın baca tozu bileşimindeki demirin kazanılabileceğinin ve karbonun da indirgen olarak kullanılabileceğinin sonucuna ulaşılmıştır. Bu doğrultuda yüksek fırın baca tozlarının ferromanganez üretiminde belirli koşullarda değerlendirilebileceği anlaşılmıştır.