Sıcak haddelenmiş çelikleri işleyen tesislerde biriken demir esaslı yağlı çamurdan demirli hammadde üretilmesi
Production of ferrous raw materials from iron based oily mill sludge released in the facilities processing hot rolled steels
Yazar: SAMET BALLI
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KELAMİ ŞEŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Dünyada en çok kullanılan ve teknoloji ve mühendislik malzemesi çeliktir. Dünyada üretilen ve tüketilen tüm malzemelerin de yaklaşık 94%'ü çeliktir. 2018 verileri göz önüne alındığında 1.8 milyar ton çelik üretilmiş olup bu miktar önceki senelere göre sürekli artış halinde olmuştur. 2018 yılında Çin, çelik üretiminde sürekli lider konumda iken Türkiye, 37 milyon ton civarında çelik üretimi ile ilk 10 sırada yer almaktadır. Kişi başına tüketilen çelik miktarları da göz önüne alındığında bu tüketim aynı zamanda ülkelerin gelişmişlik seviyesi hakkında bizlere bilgi vermektedir. 
Günümüzde çelik üretimi yaygın olarak iki yöntem ile yapılmaktadır. Bunlardan biri, cevherden yapılan üretimdir. Demir cevheri, kok, pelet ve sinter hammaddeleri ile karıştırıldıktan sonra yüksek fırında bouduard reaksiyonları sonucunda elde edilmiş olan pik demir daha sonra bazik oksijen fırınlarında karbon oranının azaltılması ile çeliğe dönüşmektedir. İkinci yöntem ise hurda çeliğin elektrik ark fırınlarında işlenerek, pota fırını ve sürekli döküm prosesleri ile tekrar kullanılabilir çelik haline getirilmesidir.
Çeliklerin hurdasıyla yapılan çelik üretimi dünyadaki ham çelik üretiminin üçte birini oluşturmaktadır. Bu bağlamda bakıldığında hurdadan çelik üretimi Türkiye ve dünya için çok büyük önem arz etmektedir. 
Hurdadan çelik üretmede, cevherden çelik üretmeye göre harcanan enerjinin yaklaşık 25%'i kullanılmaktadır. Bu da 75% oranında enerji tasarrufunun sağlanmasıdır. Demir – çelik hurdasının çelik üretiminde kullanılması sayesinde doğal kaynakların tüketilmesinin, çelik üretiminde tüketilen enerji miktarının ve çevre kirliliğinin azaltılması mümkündür.
Demir – çelik ve metal sektörleri baz alındığında hurda sınıfına sokulabilir ve yeniden değerlendirilebilecek atıklar açığa çıkmaktadır. Bu atıklar çelik üretiminde hammadde olarak kullanılabilir kaynaklar olarak da değerlendirilebilir. Atıklar, genel olarak üretim ve kullanım sonucunda işe yaramaz hale gelen, çevreye bırakılması ciddi tehlike arz eden her türlü madde olarak bilinmektedir. 
Atıkların tehlikeli olanları da göz önüne alındığında bileşimlerine ve özelliklerine göre kategorilendirilmeleri, bertaraf edilmeleri, işletilmeleri ve hatta geri kazanılabilir hale getirilip hem çevre hem ekonomik hem de enerji üretimi olarak fayda sağlamaları çok önemli bir husustur. Atıklar, kaynaklarına ve sektörlere göre sınıflandırıldığında katı atıklar, tehlikeli atıklar, tıbbi atıklar ve belediye atıkları ön plana çıkmaktadır.
Çeşitli sektörlerden çıkan atıkların miktarları bölgelere göre değişkenlik göstermekle birlikte özellikle Eurostat'dan alınan veriler göz önüne alındığında yıllar içerisinde Avrupa'da çıkan atıkların giderek azaldığı Türkiye'de ise atık oluşumunun yıllara göre düzensiz olduğu görülmektedir. Bu da atıkların oluşmasına neden olan etkenlerin değiştirildiğini veya üstün teknolojilerin kullanılarak çıkan atıkların azaldığını göstermektedir. Atıkların değerlendirilmeleri söz konusu olduğunda miktarlarından bağımsız olarak hem bertaraf edilmeleri hem de geri kazanım tesisine gönderilmeleri çıkan atıkların çevreye ve canlı yaşamına vereceği zararın en aza indirilmesi açısından önem teşkil etmektedir. 
Demir çelik üretimi düşünüldüğünde çelik üreten bir tesisteki hammaddelerin hazırlanması ve çeliğin üretilmesi sonucunda çeşitli temel ve yan ürünler meydana gelmekle birlikte bu yan ürünler proses atıkları olarak değerlendirilmektedir. Demir – çelik üretiminde açığa çıkan yan ürünler yüksek fırın curufu, çelikhane curufu, bazik oksijen fırını curufu, elektrik ark fırını curufu, yüksek fırın baca tozu ve çamuru, bazik oksijen fırını baca tozu ve çamuru, elektrik ark fırını baca tozu, haddehane tufali, yağlı tufaller ve moloz döküntüleridir.
Tesislerden çıkan atıklar atık yönetmeliğine göre bir hazırlama işlemine tabi tutulur. Hazırlama işlemi, depolamayı ve taşınmaya kapsamaktadır. Çelik üretim tesislerinin içerisindeki atıkları kimyasal bileşimine, boyutuna veya yağ içeriğine göre ayırma, üretim verimliliğini sağlama, ürün kalitesi ve çevre koruma konularında olumsuz etki yaratmaması ve doğru kullanılması açısından gereklidir. Ayrıca açığa çıkan atıkların çoğu yüksek oranda demir, karbon, kalsiyum ve diğer yararlı bileşikleri içermektedir. Bu içeriğe sahip olan atıkların kontrollü şekilde değerlendirilmeleri birincil hammaddelerin yerini almalarında etkili olabilir. 
Çelik üretiminde ortaya çıkan atıkların yaklaşık 90%'ını curuf, toz ve çamur oluşturmaktadır. Bu atıklar çevresel ve ekonomik olarak bir değerde düşünülüp değerlendirilmelidir. Curuf, toz, çamur ve tufal gibi atıklar aynı zamanda demir içermektedir. 
Çelik malzemesi dünya çapında en önemli malzeme olarak düşünüldüğüne demirin, çeliğin en önemli hammaddesi olduğu ve bu atıkların demir içermesi, değerlendirilebilmeleri için yeterli bir sebeptir. Ancak, diğer atıklardan da karbon içerenler, yani hidrokarbon olanlar, çelik üretimi için yapılan aglomerasyon harmanına karıştırılarak çelik üretiminde demir oksitlerin indirgenmesinde kullanılabilir ve demirin metalleşmesi esnasında enerjilerinden faydalanılabilir.
Çelik üretimi tesisleri dışında, çeliğin işlendiği tesislerde de sıcak hadde ürünü çeliklerin yüzeylerindeki oksit tabakaları tesislerdeki fiziksel işlemler sırasında yüzeyden ayrılarak sirküle eden bor yağına karışırlar. Sirküle ettirilen bor yağından ayrıştırılan bu demir esaslı malzemeler borlu çamur olarak birikirler. Bu yüzden bu işlemlerden çıkabilecek atıkların da demir çelik endüstrisinden çıkan atıklar gibi değerlendirilmesi gerekir. 
Tufaller, çelik üretiminde sürekli döküm ve haddehanede çıkan ekonomik değeri yüksek, demir esaslı bir atıktır. Çelik üretiminde çeşitli proseslerden üretim esnasında çıkan atıklardaki ekonomik değere sahip maddelerin özelliklerine göre doğrudan veya ön işlemlerden geçirildikten sonra üretim tesislerindeki proseslerle veya geliştirilmiş özel prosesler ile geri kazanımı sağlanmaktadır. Bileşimini, çeliğin içerisindeki elementlerin oksit halleri oluşturan tufalin genel bileşimi 33 - 72% Fe, 0,4 - 16% CaO ve 0,1 - 0,8% C olarak verilmektedir. 
Sürekli döküm ve tav fırınlarında ortaya çıkan tufal yağ içermezken haddehane tufali yağ içermektedir. Yağlı tufal, yağdan arındırılarak geri dönüştürülebilir veya yağlı halleriyle proseslerde kullanılabilir. Yağlı çamurlar ise çeşitli metal sektörlerinde kullanılan bor yağına karışması sonucu açığa çıkmaktadır. Bu çamurların bileşimi işletmelerdeki kirletici etkenlerin miktarına bağlı olarak değişmektedir. Fakat yağlı çamurlardaki yağ miktarının 3%'den fazla olması, yeniden kullanılması için ön işlemi de gerektirmektedir.
Temiz ortamdaki işletmelerde bor yağıyla taşınan malzemelerdeki demir içeriği daha yüksek olmakta ve bu durum değerlendirilmelerini kolaylaştırmaktadır. Bu çalışmada metal işleyen tesislerde çeşitli prosesler sonucu açığa çıkan demir esaslı yağlı çamurlardan ayrıştırılan demirin, hammadde olarak demir – çelik üretiminde kullanılabilirliği araştırılmıştır.
Bu çalışmada; bor yağlı çamurun yanında yüksek fırın baca tozu ve tufal gibi atıklar ve ayrıca kok tozu ve bentonit kullanılmıştır. Çalışmanın kapsamında 100% tufal, 80% tufal + 20% yağlı çamur ve 60% tufal + 40% yağlı çamur içeren karışımlarla peletler üretilmiştir. Pişirilen peletlerin mukavemetleri yağlı çamurun miktarının artmasıyla düşmüştür. Mukavemet düşüşlerine bor yağının pişme esnasında uçarak peletlerde bıraktığı poroz yapının neden olduğu değerlendirilmektedir.
Peletler, kayıkçıkta kok tozuna gömülerek 1 saat boyunca 1100 ˚C'de redüksiyon işlemine tabi tutulmuş ancak redüksiyon başarılı olmamıştır.
Atıklarla: 85% yüksek fırın baca tozu + 15% yağlı çamur, 75% yüksek fırın baca tozu + 25% yağlı çamur, 20% yağlı çamur + 30% tufal + 50% yüksek fırın baca tozu karışımlarıyla pres cihazında kompozit briketler üretilmiştir. Daha sonra kompozit briketler 1100 ve 1200 ˚C'de 1 saat süreyle redüklenmiştir. Çalışılan harmanlarla üretilen redüklenmiş kompozit briketlerde demir oranı 51,29% ile 64,56% arasında değiştiği görülmüştür. Demir kaynağı bulunduran yağlı çamur karışımı ile üretilen kompozit briketlerin demir-çelik üretiminde hammadde olarak kullanılabileceği değerlendirilmiştir.

Abstract:
Steel is the most used technological and engineering material in the world. Also about 94% of all materials produced and consumed in the world are steel. Considering the data from 2018, it is produced 1.8 billion tons steel and this amount keeps raising continuously comparing past years.
 In 2018, China is the leader of steel manufacturing and Turkey is in 10th place with around 37 million tons of steel production. Considering the steel consuming amount per person, this number also gives the development level of the countries.
There are two main methods of steel production. First method is producing the steel from ore. The pig iron obtained as a result of boudouard reaction of the mixture of iron ore, coke, pellet and sinter raw materials in the blast furnace then turn into steel by reducing the carbon content in basic oxygen furnaces.
Second method is to process the scrap steel in electric arc furnaces to be reusable steel by ladle furnace and continuous casting processes. Producing steel from the scrap steel is one third amount of the raw steel production in the world. In this context, steel production from scrap is very important for our country and the world.
It is consumed approximately 25% of the energy use in producing steel from ore in steel production from scrap. That way it is possible to save 75 % of the energy. By using iron and steel scrap in steel production, it is possible to reduce the consumption of natural resources, the amount of energy consumed in steel production and environmental pollution.
Waste product which can be classified as scrap reveals in iron steel and metal sectors. These waste can be evaluated as usable raw material in steel production. Wastes are generally known as all kind of material that become useless in the end of production and also considered quite dangerous material for the environment. It is very crucial to categorize the wastes even the hazardous ones according to their composition and properties, eliminate, process and even recycle for using in energy production. That may cause advantage in terms of economy and environment as well.
Wastes can be categorized as solid wastes, hazardous wastes, medical wastes and municipal wastes.
Although the amount of waste from various sectors varies by region, the waste in Europe especially according to data from Eurostat gradually decreased in years but in Turkey the waste formation seems to be more irregular in years. This shows that the factors that cause the formation of wastes are changed or by using high technologies the wastes are reduced.
Both recycling and eliminating the wastes irrespective of the amount have an important effect on protecting the environment. It is also important in terms of minimizing harm to life. 
When the iron and steel production is considered, various main and by-products are produced as a result of the preparation of raw materials in a steel producing plant and the production of steel, and these by-products are considered as process wastes.
The by-products produced in iron and steel production are blast furnace slag, steelmaking slag, basic oxygen furnace slag, electric arc furnace slag, blast furnace flue dust and sludge, basic oxygen furnace flue dust and sludge, electric arc furnace flue dust, scales and oily scaling sludge and rubble and debris.
The wastes come out of the facilities are subjected to a preparation process according to the waste regulation. Preparation process includes storage and transportation. 
It is necessary to separate the wastes in the steel production facilities according to their chemical composition, size or oil content, to ensure production efficiency, to have no negative impact on product quality and environmental protection and to use them correctly.
Most of the wastes also contain high proportion of iron, carbon, calcium and several other useful compounds. Controlled evaluation of wastes with this content can be effective in replacing primary raw materials.
Approximately 90% of the waste generated in steel production consists of slag, dust and sludge. These wastes must be considered and evaluated in terms of environment and economy. Wastes such as slag, dust, sludge and scales also contain iron.
When steel is considered as the most important material in the world, iron is the most important raw material of steel and the iron content of these wastes is a sufficient reason for the evaluation.
However, other wastes which contain carbon, i.e. hydrocarbons, can be used in agglomeration processes for steel production, or their energy can be utilized during the reduction of ferrous compounds and metallization of iron in steel production.
In addition to iron and steel production, physical and chemical surface treatments are applied to metals. Therefore the wastes which generated from this process must be named as wastes from iron and steel industry.
Scales are an iron source waste with high economic value in steel production and rolling mill. 
In iron and steel production, economically valuable materials in the wastes generated from various processes are recovered either by processes in production facilities or by special processes developed after directly or pre-treating according to their properties.
The general composition of scale, which forms the oxide states of the elements in the steel, is 33-72% Fe, 0.4-16% CaO and 0.1-0.8% C.
The rolling mill scale contains oil but the scale which generated from continuous casting and annealing furnace does not contain oil.
Oily scale can be degreased and recycled or it can be used in process with oily forms. Oily sludge is released by mixing with boron oil used in the processing of hot rolled steels used in various metal sectors. 
The compound of these sludge changes according to the amount of the pollutants. But if the amount of the oil is more than %3 in oily mill sludge it is needed pre-treatment. The iron content of the materials carried by boron oil is higher in clean environment and that makes easy their evaluation.
In this study, the usability of the iron that separated from oily mill sludge which is released from various processes in metal working plants as a raw material in iron-steel production was analyzed.