Elektro Curuf Ergitme (ESR) yöntemiyle çelik hurdalarından kaliteli çelik üretimi ve curuf özelliklerinin modellenmesi
The production of high quality steels from steel scraps by Electroslag Remelting (ESR) and modelling the properties of slags
Yazar: BURAK BİROL
Danışman: DOÇ. DR. MUHLİS NEZİHİ SARIDEDE
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Cüruf = Slag ; Cüruf bazisitesi = Slag basicity ; Elektriksel iletkenlik = Electrical conductivity ; Hurda = Scrap ; Çelik üretimi = Steel production

Özet:
Hurda çeliklerin değerlendirilmesi, elektrik ark fırınlarında ergitme ve ardından farklı yöntemlerle arıtma işlemlerini kapsamaktadır. Kaliteli çelik üretiminde kullanılan bir arıtma yöntemi olan elektrocuruf altında ergitme (ESR) prosesi, çeliğin ingot halinde dökülerek curuf altı ergitme işlemiyle arıtılmasıdır. Kaliteli çelik hurdaları elektrik ark veya indüksiyon ocaklarında ergitilerek değerlendirildiğinde kimyasal kompozisyonlarında bulunan birçok değerli alaşım elementi kaybedilmektedir.
Bu çalışma, bazı kaliteli çelik hurdalarının ergitme ve pota metalurjisi basamakları atlanıp, doğrudan ESR prosesinde harcanabilir elektrot olarak kullanılması ve böylece kaliteli çelik haline getirilmesi işlemlerini kapsamaktadır. Bu amaçla yüksek kükürt içeriğine sahip AISI 12L14 (DIN 11SMnPb37) otomat çeliği, yüksek Cr ve Ni içeren AISI 304 (DIN X5CrNi18-10) paslanmaz çelik ve Mo, V ve W gibi yüksek oranda karbür yapıcı içeren AISI M2 (DIN HS6-5-2C) yüksek hız çeliği ESR prosesine uygun elektrod haline getirildikten sonra farklı bileşimlerde curuflar kullanılarak hem ergitilmiş hem de arıtılmıştır. Temel olarak S ve P gibi kaliteyi kötü yönde etkileyici elementler uzaklaştırılmaya çalışılırken, diğer yandan değerli alaşım elementlerinin mümkün olduğunca korunmasına çalışılmıştır.
ESR prosesinde en önemli parametre olan curufun öncelikle elektriksel iletkenliği olmak üzere çeşitli değişkenleri incelenerek, curuf bileşiminin prosese ve özelliklerinin üründeki alaşım elementlerine etkileri belirlenmiştir. Element kayıpları çoğunlukla oksidasyon yoluyla olduğu için o elementin oksitlerinin ?G° oluşum serbest enerjileri ile doğru orantılı olarak çelikten uzaklaştığı görülmüştür.
Curuf bazikliğinde nispeten yeni bir kavram olan optik baziklik kavramı ele alınarak, curuf özellikleri ve alaşım elementlerine etkileri de incelenmiştir. Bunun sonucunda curufun optik bazikliğinin aynı zamanda curuf içerisindeki serbest oksijen iyonlarının bir ölçüsü olduğu ve optik bazikliğin artışıyla element kayıplarının da arttığı gözlemlenmiştir. Bununla beraber curuf özellikleri ile alaşım elementlerine etkileri arasında var olan modeller tavsiye edilmiş veya yeni modeller oluşturulmuştur. Oluşturulan modeller temel olarak optik baziklik kavramıyla bağlantılı olup, bazı durumlarda sıcaklığın etkisi de modele eklenmiştir.
Optik bazikliğin yalnızca çelik içerisindeki element kaybı değil, aynı zamanda curufun elektriksel iletkenlik, viskozite gibi özelliklerini de etkilediği belirlenmiştir. Curufun içerisindeki bazik oksitlerin artışı, diğer bir değişle, optik bazikliğinin artışıyla birlikte curuf içerisindeki ağ yapıları kırılmakta ve bunun sonucunda curufun elektriksel iletkenliği artmakta ve viskozitesi düşmektedir.

Abstract:
The recycling of scrap steels includes the melting of steels in electric arc furnaces (EAF) and following the refining of steels by various processes. The electroslag remelting (ESR) process, which is one of the techniques used in the production of high quality steels, is the refining of steel by melting a precast ingot under a slag. When high quality steel scraps are recycled by melting in an EAF or induction furnace, a considerable amount of valuable alloying elements in the chemical composition of steels are lost.
This study contains utilization of high quality steel scraps as a consumable electrode in ESR process and the production of high quality steels by skipping the melting and ladle furnace route. For this purpose, high sulfur containing AISI 12L14 (DIN 11SMnPb37)free-cutting steel,AISI 304 (DIN X5CrNi18-10) stainless steel containing high amounts of chrome and nickel and AISI M2 (DIN HS6-5-2C) high speed steel containing considerable amounts of carburizing element like Mo, V and W were melted and refined by using various synthetic slags. By this process, it was attempted to remove the elements which reduces the quality, as S and P, while keeping the valuable alloying elements as possible.
The slag parameters, primarily the electrical conductivity, which is the most important one in ESR process, were investigated and the effects of slag composition on the process and the alloying elements of steels were determined. It was observed that, due to the fact that the elements are generally lost by oxidation, their losses are a function of free Gibbs energies (?G°) of their oxides.
A relatively new concept of basicity of slags, the optical basicity, was investigated and its effects on the slag properties and the alloying elements of steels were determined. Consequently, it was observed that optical basicity of slag was a measure of free oxygen anions in slags and an increase of the optical basicity results with higher alloying element losses. Additionally the existing models that involve the relations between the slag properties and alloying element losses of steels were compared with the experimental data and as a result some models were advised or new ones were generated.
Moreover it was determined that, the optical basicity of slags not only affects the alloying elements in steels, but also the slag properties like electrical conductivity or viscosity. The increase of the basic oxides slags, in other words, the optical basicity of slags, the web structures in slags were destroyed and consequently the electrical conductivity increases while the viscosity decreases.