Demir çelik endüstrisindeki elektrik ark ocaklarının kimyasal bileşimine dayalı kütle ve enerji analizi
Mass and energy analysis of electric arc furnace based on chemical compound in the iron and steel industry
Yazar: ENVER ONUR ÖZDEŞ
Danışman: PROF. DR. ERTUĞRUL BALTACIOĞLU
İskenderun Teknik Üniversitesi / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sanayi enerji tüketiminde en baş sırada yer alan EAF'lerde yapılacak iyileştirme çalışmaları enerji tasarrufu ve geri dönüştürülemez artık maddelerin minimizasyonu açısından büyük önem arz etmektedir. Demir çelik sektöründeki gün geçtikçe artan arz ve talep dengesi ile doğrudan orantılı olarak artan enerji ihtiyacı ve atılan atık ürün miktarının yönetimi ülke politikaları açısından büyük önem arz etmektedir. Enerji tüketiminin azaltılması konusunda yapılan çalışmalar, ısının direkt olarak atıldığı baca gazları ya da cüruf atık ısıları üzerine yoğunlaşmaktadır. Bu çalışmalar her ne kadar doğru ve gerekli ise de atık enerji yönetimi açısından yapılacak çalışmalar öncelikle atığın kaynağı olan atık ürün miktarlarının yönetimi üzerine olması gereklidir. Atık ürün denildiğinde akla gelen baca gazları ve cüruf kaybolan enerjinin büyük bir kısmını ihtiva etmektedir. Dolayısıyla demir çelik üretimi yapan sistemlerde kullanılması kaçınılmaz olan enerji girdisinin azaltılabilmesi için yakıt, cevher ve alaşım elementlerinin optimum düzeyde kullanılması gerekmektedir. Tüm bunlara ek olarak fırının düzenli çalışması ve sistemin zarar görmemsi açısından sistemin bazikliğinin incelenmeside büyük önem arz etmektedir. Çok düşük baziklik, metalürjik olarak ve refrakter aşınmasının kimyasal mekanizmaları açısından sakıncalıdır ve cüruf fazla akışkan fazdadır, ancak çok yüksek baziklikte termal ve metalurjik verimlilik açısından sakıncalıdır ve cüruf düşük viskoziteye sahiptir, her iki noktada çok önemlidir, bu nedenle baziklik oranının 1,8 ile 2,3 aralığında olması istenir ki cüruf bu fazda krem kıvamında olur. Düşük baziklikte sistemden kükürt uzaklaştıması yapılamaz ve ocağın refrakterlerine zarar verir. Yüksek baziklikte fazla katı cüruf arkın sıvı çelik banyosuna girişini zorlaştırır ve metalürjik açıdan doygunluk sağlanamaz. Burdan yola çıkarak baziklik oranına göre sistemde kullanılan malzemelerin sarfiyatının kontrolü ile tasarruflara gidilebileceği vurgulanmıştır. Bu çalışmada elektrik ark fırınında gerçekleşen her bir reaksiyon irdelenmiş, kütle ve enerji balansı yapılmıştır. Fırın verimini arttırmaya yönelik yapılabilecek çalışmalar üzerinde durulmuştur.
Bu çalışmada hurda içerisindeki silisyum oranının ve curufun baziklik oranının elektrik ark ocaklarının optimizasyonu için çok önemli parametreler olduğu üzerinde durulmuştur. Ocak 1,8 ile 2,3 arasında değişen farklı baziklik oranlarında ve hurdadaki sabit silisyum oranında (%1.42) incelenmiştir. Sistemin mevcut baziklik oranı 1,87 olarak hesaplanmış ve 1,8'den 2,3 baziklik oranına değişim yapıldığında harcanan kireç miktarı ortalama 6 tondan 8 tona, çıkan curuf kütlesi ortalama 14 tondan 18 tonlara artmış ve tüketilen elektrik enerjisi de ortalama 128 GJ'dan  124 GJ'a azalmıştır. Baziklik oranı sabit tutulup (1,87) hurdadaki silisyum oranı %1,42 den %0,5 e doğru değiştirildiğinde de tüketilen kireç miktarının ortalama 6 tonlardan 2 tonlara, curuf kütlesinin de 15 tonlardan 6 ton civarlarına düştüğü, elektrik enerjisnin de 128 GJ'dan 160 GJ'a kadar arttığı görülmüştür. Bu bilgiler ışığında curufun optimum baziklik oranının 2,3 değerine çok fazla yaklaşmaması istenmektedir.

Abstract:
Improvement studies to be carried out in the EAFs, which are the first place in industrial energy consumption, are of great importance in terms of energy saving and minimization of waste materials that can not be recycled. The demand for energy and the management of the waste products, which are increasing in direct relation with the escalating supply and demand equilibrium in the iron and steel sector, has a great importance for both our country and other countries in terms of country politics. The big part of the studies on reducing energy consumption in steel and iron industries are concentrated on the flue gases or slag waste heat recovery systems. Although these studies are correct and necessary, the studies done for recovering waste energy should be primarily on the waste material management. The flue gases and slag which come to mind first when it comes to waste products of the furnaces contain a large part of the lost energy. Therefore, the fuel, ore and alloying elements should be used at optimum levels to reduce the energy needing of the systems. In addition to all these, it is also important to study the basicity of the system so that the furnace operates regularly and the system is not damaged. Very low basicity adversely affects the metallurgical and chemical mechanisms of refractory erosion and also the produced slag becomes in very liquid phase. On the other hand, at very high basicity, the thermal and metallurgical efficiency of the furnace decrease due to low viscosity in the slag. For this reason, it is desirable that the basicity ratio is in the range of 1.8 to 2.3 so that the slag becomes creamy in this phase. At low basicity, sulphur removal from the system cannot be done and it can damage the refractories of the furnace. At high basicity, excess solid slag forms, which makes it difficult for the electric arc to enter the liquid steel and does not saturate in the metallurgical sense. It is emphasized that it is possible to go to the savings by controlling the consumption of the materials used in the system according to the basicity ratio. In this study, each reaction in the electric arc furnace was investigated and mass and energy balances were made. The studies that can be done to increase the efficiency of the furnace are emphasized.
In this study, it was emphasized that the ratio of silicon in the scrap and the slag basicity ratio are very important parameters for the optimization of electric arc furnaces. The furnace was examined at different basicity ratios ranging from 1.8 to 2.3 and at the fixed silicon rate (1.42%) in the scrap. The existing basicity ratio of the system was calculated to be 1.87, and when the ratio was changed from 1.8 to 2.3 basicity ratio, the amount of lime consumed increased to 8 tonnes from an average of 6 tonnes, the output of slag increased from 14 tonnes to 18 tonnes and the consumed electricity energy decreased averaged 128 GJ to 124 GJ. When the basicity ratio is kept constant (1.87) and the silicon ratio in the scrap is changed from %1.42 to % %0.5, the amount of lime consumed is reduced from 6 tons to 2 tons and the slag mass is reduced from 15 tons to 6 tons and the electricity energy is increased from 128 GJ ' up to 160 GJ. It is desirable that this information does not approach the value of the optimum basicity of the slag to 2.3 in the light