Çelik cüruflarının borlu bileşiklerle kararlı hale getirilmesi
Stabilization of steel slag with boron compounds
Yazar: ALİ KORAY ÖZÇELİK
Danışman: PROF. DR. CEMALETTİN YAMAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Geleneksel yöntemlerle pota ocaklarıyla çelik üretiminden çıkan cüruflar soğuma sonrası tozlaşarak çevreye ve fabrikaların depolama sahalarında ciddi sorun çıkarmaktadır. Türkiye'de üretilen kolemanitin cüruf yapıcı olarak fluşpatla beraber kullanılması tozlaşmayı engellemektedir.
Günümüzde, Türkiye'de bazı çelik üreticileri 120 tonluk pota ocağına 45 kg kolemanit katarak pota cürufunun tozlaşmasını engellemektedirler. Fakat bu katılan kolemanitin çelik özelliklerine etkisi konusunda herhangi bir çalışma yapılmamıştır.
Bu çalışmada, 120 tonluk pota ocağına 0, 20, 40, 60 ve 80 kg kolemanit katılarak, hem cürufun davranışına hem de çelik bileşimine ve çelik özelliklerine etkisi incelenmiştir.
20, 40 ve 60 kg kolemanit pota ocağından döküm alınmadan ortalama 5 dakika kadar önce ocağa şarj edilmiştir. 80 kg kolemanit, üretilecek çeliğin bor içeriğini izin verilen değerin (30 ppm) üzerine çıkarabileceği için döküm alındıktan sonra, pota tumba yapılmadan hemen önce cürufa katılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda fluşpatla beraber 0 ve 20 kg kolemanit katılarak elde edilen çelik cüruflarının katılaştıktan sonra tozlaştığı, 40, 60 ve 80 kg kolemanit katılarak elde edilen cürufların ise katılaştıktan sonra tozlaşmadığı görülmüştür. 
Kolemanitsiz ve kolemanitli üretilen çeliklerin optik emisyon metotuyla spektral analizi yapılarak kimyasal içerikleri belirlenmiştir. Artan kolemanit oranıyla çeliğin bor içeriğinin de arttığı görülmüştür. 0, 20, 60 ve 80 kg kolemanit ile üretilen çeliklerin bor içerikleri sırasıyla 2, 5, 10, 6 ppm bulunmuştur.
Kimyasal analiz sonuçları kolemanit katkısının kükürt oranını etkilemediğini göstermektedir. Kolemanitsiz ve kolemanitli üretilen pota cüruflarından örnekler alınarak cüruf yüzeyleri ve kesitleri makroskobik olarak incelenmiş ve kolemanitin cürufun akışkanlığına etkisi değerlendirilmiştir. Artan kolemanit miktarıyla cürufların yüzey poroziteleri azalmış ve daha kompakt yapıya ulaşmıştır. Bu durum bize çelik cürufunun akışkanlığının arttığını göstermiştir. Ayrıca 80 kg kolemanit katkısıyla elde edilen cürufların içine MgO-C refrakter tuğla atılarak, cüruf soğuyana kadar beklenmiştir. Refrakter yüzeyinde bulunan cüruf ile refrakter malzeme arayüzeyi makroskobik olarak incelenmiştir. Cürufun refrakterle bir etkileşiminin olmadığı görülmüştür.
Literatürde, borun çelik sertliğini ve sertleşebilme kabiliyetini artırdığına dair birçok çalışma mevcuttur. 
Kolemanit katkısız çelikte yaklaşık bor miktarı 5 ppm olarak tespit edilmiştir. Su da sertleştirildikten sonra 5 ppm bor içeren çeliğin sertlik değerleri 245-302 HV arasında değiştiği görülmüştür. Borlu çelik üretmek için 60 kg kolemanit kullanılmış ve çelikte yaklaşık 25 ppm bor miktarına ulaşılmıştır. Su da sertleştirildikten sonra 25 ppm bor içeren çeliğin sertlik değerleri 250-327 HV arasında değiştiği görülmüştür.   Burada sertliğinin artmamasının nedeni, literatürde de belirtilen çeliğin içinde bulunan bor atomlarının, azot ve karbon tarafından bağlanarak bor-nitrür ve bor karbür oluşturması ile çelik içindeki çözünmüş borun azalmasıyla açıklanmaktadır.
Anahtar kelimeler: Cüruf, Kolemanit, Fluşpat, Refrakter, Sertlik, Mikroalaşımlı Çelikler, Borlu Çelikler

Abstract:
Slags that come out of steel production with laddle furnace through traditional methods, create serious problems for the environment and the factory storage fields by dusting of steel slag after cooling. Using colemanite which produced in Turkey with fluorit in steelmaking slag prevents slag dusting. 
Today some Turkish steel producers, prevent laddle slag dusting by using 45 kg of colemanite to a laddle furnace of 120 tons. However, there is no study conducted to reveal whether the colemanite has any effect on the characteristics of steel. 
In this study 0, 20, 40, 60 and 80 kg of colemanite is charged to a laddle furnace with a capacity of 120 tons to observe the effects it creates on the slag, the steel composition and steel characteristics. 
20, 40 and 60 kg of colemanite charged for approximately 5 minutes before casting from the laddle furnace. As 80 kg of colemanite can bring the boron content above the permitted value (30ppm) after the casting, the colemanite is added to the slag right before the tilting of slag. As a result of this studies, it was observed that the steel slags obtained through the charging of 0 and 20 kg of colemanite with flourit after cooling and the slags that is obtained by the charging of 40, 60 and 80 kg of colemanite no dusting was observed after cooling. 
The chemical content of the steel was identified by the spectral analysis with the optical emission method of both the colemanite included and non-colemanite included steel. It was also observed that with the increased colemanite rate the boron content also rises. It was reveled that the boron content of the steel produced with 0, 20,40, 60 and 80 kg of colemanite increases respectively by 2, 5, 10, 6 ppm.
The chemical analysis results of the colemanite charging revealed no effect on the sulfur content of steel. Samples from the laddle slags produced both with colemanite and without was collected and slag surface and sections went through macroscopic analysis and colemanite's effect on the fludity was evaluated. With the increased colemanite the surface porosity of the slag had decreased and had reached to a more compact structure. This shows us that steel slag viscosity has decreased. In addition, the slag obtained through charging of 80 kg of colemanite was kept until the slag was cooled by adding MgO-C refractory brick. The slag-refractory interface was analyzed macroscopically.  An observation was conducted to see whether there was any interaction between the slag and the refractory. 
It is possible to find plenty of study in the literature that indicates boron has an increasing effect on hardness and hardenability of steel.
In the non-colemanite icharged steel the level has reached to approximately 5 ppm.  It was observed that the steel that includes 5 ppm has a varying hardness value between 245-302 HV. To produce steel with boron, 60 kg of colemanite is used and 25 ppm is reached in steel. After quenching at water the hardness reaches a level that changes between 250-327 HV. The reason why the hardness does not increase can be explained by the fact that the boron within the steel is bonded with the nitrogen and carbon and transforms into boron nitride and boron carbide, which explains to the decrease of the dissolved boron within steel.
Keywords: Slag, Colemanite, Fluorit, Refractory, Hardness, Microalloyed Steels, Boron Steels