Demir çelik sektöründe donmuş malzeme tahliyesi için vagon ısıtma holü tasarımı ve ısıl analizi
Design and thermal analysis of wagon heating hall for discharge of frozen material in iron and steel industry
Yazar: YAVUZ TAN KIRIK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ENES KILINÇ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yoğun kış şartları nedeniyle ihtiva ettiği malzemelerin donması sebebiyle tahliyeleri sağlanamayan demiryolu yük vagonlarının, istenilen sürede, daha az maliyetli olarak ve malzeme sevkiyatlarını duraklamaya uğratmayacak şekilde tahliye edilebilmeleri demir çelik sektörü için büyük önem arz etmektedir. Bu çalışmada, çelik üretiminde kullanılan en önemli 2 hammadde olan demir ve antrasit kömür için bir vagon ısıtma holü tasarımı yapılarak, donmuş haldeki demir ve antrasit kömürün zamana bağlı ısı transfer analizleri gerçekleştirilmiş ve bu malzemelerin don çözme süreleri belirlenmiştir. Bu kapsamda, öncelikle ısı kaybının önlenmesi için demiryolu standartlarına uygun ısı yalıtımlı bir vagon ısıtma holü tasarlanmıştır. Demir çelik tesislerinde atık gaz olarak kullanılan ve yüksek miktarda ısı ihtiva eden yüksek fırın gazları, yine bu çalışmada tasarlanan yanma odasına sevk edilip yakılarak ortamdan çekilecek olan hava ısıtılacak ve ısınan hava ısıtma holüne blowerlar yardımıyla ve  
boru hattıyla sevk edilerek vagon içerisinde sevkiyat sırasında donan malzemelerin fabrika içerisindeki tahliyeleri kolayca sağlanmış olacaktır.
Çalışmada, tasarlanan vagon ısıtma holü, yanma odası ve boru hatları için ısı kaybı hesapları yapılmış, vagonun ve malzemenin donunun çözülmesi için gerekli ısı miktarları belirlenmiştir. Daha sonra hem demir hem de antrasit kömür için zamana bağlı ısı transferi analizleri gerçekleştirilmiş ve malzemelerin merkez sıcaklıklarının 3 °C - 8 °C arasında kalması için gerekli süreler hesaplanmış ve vagon içerisindeki malzemelerin merkez sıcaklıkları belirlenmiştir. Analizlerde vagon ısıtma holü içerisinde üflenen hava sıcaklıkları 200 °C, 250 °C ve 300 °C olarak, hava hızları ise 50 m/s, 75 m/s ve 100 m/s şeklinde değiştirilerek sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda demir için en düşük don çözülme süreleri 200 ºC – 100 m/s ve 250 ºC – 75 m/s hava şartlarında 5 saat, 300 ºC – 100 m/s hava şartlarında ise 4 saat olarak belirlenmiştir. Aynı şartlarda vagon içerisindeki demirin merkez sıcaklıkları ise sırasıyla 4.39 ºC, 3.75 ºC ve 5.43 ºC olarak tespit edilmiştir. Ayın şartlarda, antrasit kömür için elde edilen sonuçlarda antrasit kömürün donunun çözülmediği görülmüştür. Bunun nedeni antrasit kömürün ısı iletim katsayısının demirden çok düşük olmasıdır. 
Çalışma, iç malzeme sevkiyatları demiryolu ile sağlanan tüm demir ve çelik işletmeleri için uygulanabilir bir çalışmadır. Elde edilen sonuçlar ve çözüm önerileri ile işletmede kış aylarında ortaya çıkan yük vagonlarındaki donan malzemelerin tahliyesi için vibrasyon uygulaması, vibrasyon işlemi sonrasında yük vagonlarına verilen zararın karşılanması, zamanında tahliye edilemeyen yük vagonları için uygulanan somaj bedeli (gecikme cezası) ve gecikmeden dolayı işletme içerisinde lokomotiflerin manevra hareketlerini yapamaması gibi birçok problem ortadan kaldırılmış olacaktır.

Abstract:
It is of great importance for the iron and steel industry that the railway freight wagons, which can not be evacuated due to the freezing of the materials they contain due to the intense winter conditions, can be evacuated in the desired time, with less cost and without interrupting the material shipments. In this study, a wagon heating hall was designed for iron and anthracite coal, which are the two most important raw materials used in steel production, and time-dependent heat transfer analyses of frozen iron and anthracite coal were carried out, and the defrosting times of these materials were determined. In this context, first of all, a heat-insulated wagon heating hall in accordance with railway standards was designed to prevent heat loss. Blast furnace gases, which are used as waste gas in iron and steel plants and contain a high amount of heat, will be sent to the combustion chamber designed in this study and the air to be drawn from the environment will be heated, and the heated air will be sent to the 
heating hall with the help of blowers and pipeline, and evacuation of the materials frozen during shipment inside the wagon will be provided to easily.
In the study, heat loss calculations were made for the designed wagon heating hall, combustion chamber and pipelines, and the amount of heat required for the defrosting of the wagon and the material was determined. Then, time dependent heat transfer analyses were carried out for both iron and anthracite coal and the required times for the core temperatures of the materials to remain between 3 °C and 8 °C were calculated and the core temperatures of the materials in the wagon were determined. In the analyses, the air temperatures blown in the wagon heating hall were changed as 200 °C, 250 °C and 300 °C, and the air velocities were changed as 50 m/s, 75 m/s and 100 m/s, and the results were compared with each other. As a result of the study, the lowest thawing times for iron were determined as 5 hours at 200 ºC – 100 m/s and 250 ºC – 75 m/s weather conditions, and 4 hours at 300 ºC – 100 m/s weather conditions. Under the same conditions, the core temperatures of the iron in the wagon were determined as 4.39 ºC, 3.75 ºC and 5.43 ºC, respectively. In the same conditions, in the results obtained for anthracite coal, it was observed that the anthracite coal did not thaw. The reason for this is that the heat transfer coefficient of anthracite coal is much lower than that of iron.
The study is applicable to all iron and steel businesses whose internal material shipments are provided by rail. By means of the results and solution suggestions, many problems such as,vibration application for the evacuation of the frozen materials in the freight wagons in the winter months, compensation for the damage to the freight wagons after the vibration process, the demurrage fee (delay penalty) applied for the freight wagons that could not be evacuated on time, and inability of the maneuverings of the locomotives in the plant due to the delay will be eliminated.