Cüruf Nedir

 

Entegre çelik işletmeleri çelik üretiminde hammadde, hava, su, yakıt ve enerji gibi temelde beş girdiyi değerlendirirler. Çelik üretiminde, üretilen ton çelik başına 2-4 ton atık meydana gelir. Bu atıkların büyük çoğunluğunu cüruf oluşturmaktadır.

Metalurjik cüruflar, yüksek fırın cürufu, çelikhane cürufu, fosfor cürufu, bakır cürufu ve pota cürufudur. Kimyasal ve mineralojik bileşimlerine bağlı olarak çimentolaştırıcı ve/veya puzolanik özelliğe sahip olabilirler. Günümüzde metalurjik cürufların birçoğu farklı uygulamalarda agrega olarak kullanılmaktadır.

Demir içeren cüruflar, metalurjik prosesler sonucu elde edilen silika veya alümina silikat içeren ürünlerdir. Demir içeren cüruflar yüksek fırın cürufu ve çelikhane cürufu olarak sınıflandırılır. Yüksek fırın cüruflarının ise eriyik haldeki cürufa uygulanan soğutma prosesine göre farklı sınıfları vardır. Bunlar, havada soğutulmuş yüksek fırın cürufu, peletlenmiş cüruf, suyla taneleştirilen cüruf olarak sıralanabilir. Metal içermeyen cüruflar ise, bakır, nikel ve kurşun cüruflarıdır. Bakır ve nikel cürufları piro metalurjik prosesler sonucu konsantre sülfitlerden ayrıştırılan yan ürünlerdir.
 

ASTM’ye göre yüksek fırın cürufu, “yüksek fırında demir ile eş zamanlı olarak eriyik halde elde edilen ve temel olarak kalsiyum ve diğer bazların silikat ve alümina silikatlarından oluşan, metalik olmayan bir ürün” olarak tanımlanmaktadır. Yüksek fırın cürufu granüle yüksek fırın cürufu ve havada soğutulmuş yüksek fırın cürufu olacak şekilde iki tiptir.

Yüksek fırın cürufu, demir cevheri (manyetit veya hematit), demir peleti, kok, kireç ve dolomit gibi katkı maddelerinin yüksek fırında oksijen ile reaksiyona girerek demir cevherinin redüklenmesi sonucunda sıvı ham demir üretimi esnasında yan ürün olarak ortaya çıkmaktadır. Yüksek fırın cürufu, seramik cam, silika jel, tuğla gibi malzemelerin yapımında kullanılmaktadır. Ayrıca kristalin ve amorf yüksek fırın cürufu, sulu çözeltilerden fosfatın geri kazanımında adsorbent olarak kullanıma da uygundur.

Önerilen Makale: Karbon çeliği malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için karbon çeliği nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.


Yüksek Fırın Cürufunun Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Yüksek fırın cürufu inorganiktir. Temel olarak, silisyum oksit (%30-35), kalsiyum oksit (%28-35), magnezyum oksit (%1-6) gibi inorganik bileşenler içerir ve Al₂O3/Fe₂O₃ oranı %18-25’dir. Düşük demir içeriğine bağlı olarak çimento endüstrisinde rahatlıkla kullanılabilir.

Çelik işletmelerinde havada soğutulmuş ve granüle olmak üzere iki tip çelik cürufu bulunur. Çelik cürufunun spesifik gravitesi yaklaşık 2,90’dır ve kütlesel yoğunluğu 1200- 1300 kg/m3 arasında değişiklik gösterir. Granüle yüksek fırın cürufunun rengi beyazımsıdır. Granüle yüksek fırın cürufu çimento üretiminde kullanılırken havada soğutulmuş yüksek fırın cürufu yol yapımında agrega olarak kullanılır. Çimento endüstrisinde yüksek fırın cürufu kullanılmasının faydaları; düşük hidratasyon ısısı, uzun süreli dayanım, alkali-silika reaksiyonlarının kontrolü, aside karşı dayanım, daha iyi mukavemet olarak sıralanabilir.

Öğütülmüş Granüle Yüksek Fırın Cürufunun (ÖGYFC) Üretimi

Sıcak haldeki yüksek fırın cürufunun su ile soğutularak küçük parçalar halinde katılaşmasının sağlandığı yönteme “granülasyon yöntemi” denir. Granülasyon yönteminde 1 ton cüruf için yaklaşım 100 m3 su kullanılmaktadır. İşlem sonucunda cürufun bünyesinde yaklaşık olarak %30 oranında su kalır ve kalan su ya kurutucu değirmenlerde ya da filtreli havuzlarda cüruftan uzaklaştırılır.

Peletleme yönteminde ise su ile soğutulmuş cüruf dakikada 300 tur dönen bir tambur ile havaya fırlatılır. Peletleme yönteminde kullanılan su 1 ton cüruf için 1 m3 ’tür ve cürufun bünyesinde %10’dan daha az su kalır.
Bu yöntemle üretilen cürufa “hafif cüruf” denir. Peletleme yöntemi sonucunda birkaç değişik boyda malzeme üretilir. Büyük boyutlu (4-15 mm) olanlar, çok gözenekli ve kısmen kristal bir yapıya sahiptir. Daha çok hafif beton agregası olarak kullanılabilirler. 4 mikrometreden küçük boyutlu olanlar ise camsı bir yapıya sahiptirler ve çimento üretiminde katkı maddesi olarak kullanılırlar.

Öğütülmüş Granüle Yüksek Fırın Cürufunun Çimento ve Beton Üretiminde Kullanılması

ÖGYFC, beton üretiminde 3 farklı şekilde kullanılmaktadır: 

• Beton katkı maddesi olarak 
• Kalsiyum hidroksitle sulu ortamda birleştirilerek, hidrolik bağlayıcı madde olarak 
• Portland çimentosu klinkeri ve alçı taşı ile birlikte veya ayrı ayrı öğütülerek “cüruflu çimento” üretiminde

ÖGYFC’nun katkı maddesi olarak kullanıldığı betonlarda, betonun işlenebilirliğinin ve dayanımının arttığı, büzülmesinin ise azaldığı gözlenmiştir.

Yüksek fırın cürufunun, klinkere göre daha az yüzey pürüzlülüğüne sahip olması ve özgül ağırlığının daha düşük olması, dolayısıyla hacimce daha fazla çimento hamuru elde edilmesi, cüruflu çimentoların betonun işlenebilirliğini olumlu yönde etkileyeceğinin göstergeleridir. Ancak, bu iyileşme çökme deneyi sonuçlarında tam olarak gözlenmez.

Cüruflu çimentoların priz sürelerinin portland çimentolarına göre daha uzun olduğu ve dolayısıyla zamanla işlenebilme kaybının daha az olduğu yönündeki genel kanıya karşın düşük sıcaklıklarda priz sürelerinin çok uzadığı, normal sıcaklıklarda ise portland çimentolarıyla bir fark olmadığı saptanmıştır. Aynı şekilde, çökme kaybı konusunda cüruflu çimentolarla portland çimentosu arasında önemli fark bulunmamaktadır.

Yapılan deneysel çalışmalarda cüruflu çimento kullanılarak üretilmiş betonların terleme miktarlarının daha fazla olduğu saptanmıştır [48]. ÖGYFC, betonun soğuk havalarda priz alma süresini uzatmakta, daha fazla hava sürükleyici katkı maddesine ihtiyaç oluşturmakta ve erken yaşlardaki beton dayanımı artışını azaltmaktadır.

Öğütülmüş Granüle Yüksek Fırın Cürufunun Hidratasyonu

Granüle yüksek fırın cürufu ile su arasında meydana gelen reaksiyon, portland çimentosunun hidratasyonuyla karşılaştırıldığında daha yavaş gerçekleşmektedir. Cürufun hidratasyonu cürufun su içinde kısmi olarak erimesiyle C-S-H, hidrate alüminatlar ve hidrate silika alüminatların çökelmesi olarak tanımlanabilir. Cüruf hidratasyonunun başlangıç aşamasında silikat iyonları eriyiğe geçer, daha sonra, ilk C-SH çökelmesinin ardından, eriyiğin kireç konsantrasyonu artar ve son olarak da alüminat konsantrasyonunda, hidrate alüminat kristallerinin oluşumuna kadar artış görülür. Yüksek fırın cürufu hamurlarındaki hidrate fazların belirlenmesine yönelik bir araştırmada CaO-SiO₂-Al₂O₃-H₂O dörtlü sisteminde C-S-H, C₂ASH ve C₄AH bileşenlerinin oluştuğu saptanmıştır.

ASTM Standart Enstitüsü çelikhane cürufunu, temel oksijen fırınında veya elektrik ark ocağında çelik üretimi ile eş zamanlı olarak eriyik halde elde edilen ve temel olarak demir, alüminyum, mangan, kalsiyum ve magnezyumun oksitleri ile birleşmiş halde kalsiyum silikatlar ve ferritlerden oluşan ve metalik olmayan bir ürün olarak tanımlar. Oksijenle çelik üretiminde (BOF) kullanılan hammaddeler şu şekilde sınıflandırılabilir:

• Sıvı pik demir 
• Hurda ve soğutucular 
• Cüruf yapıcılar

Yüksek fırından alınan sıvı metal, torpido veya transfer potası ile çelikhaneye taşınır. Genellikle üstü açık transfer potaları yerine, ısı izolasyonunun daha iyi olduğu torpidolar taşımacılıkta tercih edilir. Yüksek fırın döküm sıcaklığı 1482-1537°C kadardır. Sıvı ham demir bazik oksijen fırınına şarj edilene kadar geçen sürede yaklaşık 95°C sıcaklık kaybına uğrar. BOF’na şarjdan önce sıcaklık ölçümü, sıcak metal şarj potasına torpidolardan sıvı pik boşaldıktan sonra ısıl çift ile yapılır. Sıcak metal bileşimi, şarj pratiğini, cüruf yapıcı miktarını ve cüruf bileşimini etkileyeceğinden önemlidir. Geniş aralıklı sıcak metal bileşimi şu şekildedir: %3,7-4,4 C, %0,4-2,5 Mn, %0,3-1,7 Si, %0,03- 0,08 S, max. %0,30 P. Sıvı metal konvertere beslenir. Konvertere hurda ve soğutucular ilave edilir. Hurda ilave edilmesinin nedeni hem malzemenin geri dönüşümünü sağlamak hem de fazla ısıyı almaktır. Sıcak metalde Fe, C, Mn, Si ve P’nin oksijen ile yakılmaları sonucu oldukça fazla miktarda ısı açığa çıkar. Bu durum fırın astarını olumsuz yönde etkilediği gibi, metal banyo sıcaklığını da döküm için elverişsiz bir değere yükseltir. Bu nedenle BOF yönteminde bu fazla ısı, soğutucular kullanılarak alınmaya çalışılır. Soğutucu veya hurda kullanımının bir başka amacı da, konverter döküm tonajını artırmaktır. En yaygın olarak kullanılan hurdalar çelik veya pik hurdalarıdır. Konvertere şarj oranı sıcak metal %Si oranına bağlı olarak değişir.

Büyük hacimli fırınlarda ısı kaybının, küçük hacimlilere göre az oluşu daha fazla hurda eritebilme olanağı sağlar. Bu nedenle büyük fırınlarda hurda şarj oranı küçüklere göre daha fazladır.

Konvertere ilave edilen diğer ana madde ise cüruf yapıcılardır. Safsızlıkları ve oksitlenen elementleri toplayan, dekarbürizasyonu hızlandıran cüruf, çelik yapımının vazgeçilmez bir unsurudur. İyi bir çelik, iyi bir cürufla elde edilebilir. BOF yönteminde cüruf oluşma hızı oldukça yüksektir. Dolayısıyla uygun cüruf yapıcıların seçilmesi önemlidir. Genel olarak BOF’da kullanılan cüruf yapıcılar şunlardır: yüksek CaO’lu kireç, dolomitik kireç, florspar ve benzeri cüruf yapıcılar.

Sıvı metal, hurda ve cüruf yapıcı konverterde karıştırıldıktan sonra, konverter içerisine daldırılan bir lans aracılığı ile yüksek basınçta oksijen gazı beslenir. BOF yönteminde C, Mn, P, Si oksijenle reaksiyona girer ve oksitlenerek metal banyosundan uzaklaşırken kükürt de cüruf yapıcılara bağlanır. İşlem bittiğinde sıvı çelik bir potaya dökülürken, oluşan cüruf sıvı halde, yaklaşık olarak 1100-1500°C’de özel cüruf potalarına boşaltılarak taşınmakta ve stok sahalarında soğumaya bırakılmaktadır. Bir ton çelik üretiminde yaklaşık olarak 100-150 kg (%10-%15) cüruf oluşmaktadır.

BOF’da iki tip oksitlenme reaksiyonu meydana gelir: doğrudan oksijen ile temasla ve FeO’nun metal banyosuna oksijen vermesi ile. Üflenen oksijenin doğrudan metal ile temas ettiği bölgede sıcaklık 2000-2500°C’a ulaşır. Bu yüksek sıcaklıkta, gaz-metal emülsiyonunda hızlı oksitlenme reaksiyonları oluşur. Si, Mn, P, C ve Fe’nin bir kısmı oksitlenir. Oksitlenen demirin (FeO), metal banyosuna oksijen vermesi ile oksitlenme reaksiyonları devam eder. Çelik üretim biçimi ne olursa olsun, reaksiyonlar gaz-cürufmetal fazlarında oluşur. Özellikle cüruf bileşimi reaksiyonların gelişmesini etkiler. BOF cürufunun temel bileşeni CaO’dur (yaklaşık %40-50).

Cüruf bazikliği ve cüruf oksitlenme düzeyi, oksitlenme reaksiyonları ve çelik üretimi açısından önemlidir. Bazik oksitlerin asit oksitlere oranı cürufun bazikliğini gösterir. SiO₂, P₂O₅, Al₂O₃ gibi kafes yapı oluşturan anyon kompleksler asit oksit, CaO, MgO, MnO, FeO gibi kafes yapısını bozarak değiştiren oksitler bazik oksitlerdir. Basit cürufta yani SiO2 ve CaO’nun temel olduğu cürufta V=%CaO/%SiO₂ oranı bazikliği verir. Fakat endüstride bu iki temel cüruf bileşeninden başka MgO, P₂O₅ gibi oksitler de bulunduğundan cüruf bazikliği V=(%CaO+1,4%MgO)/(%SiO₂+0,84%P₂O₅) şeklinde ifade edilebilir. Cürufun FeO oranı da çelik yapımı için oldukça önemlidir. Oksitlenme düzeyi, oksitlenme reaksiyonlarını hızlandırıcı niteliktedir. 1600°C’da FeO doymuş sıvı demir %0,23 oranında oksijen içermektedir.

Çelikhane Cürufunun Fiziksel, Kimyasal ve Mineralojik Özellikleri

Fiziksel olarak çelikhane cürufları, koyu gri renkte, tane şekli köşeli ve yüzeyi pürüzlü bir görünüşe sahiptirler. Yüksek fırın cürufuna kıyasla çok sert ve dayanıklıdırlar. Özgül ağırlıkları ise %20-%25 daha büyüktür.

Çelik cürufu, demir çelik üretim prosesi sırasında ortaya çıkan bir yan üründür. Kullanılan hammaddeler ve uygulanan ergitme prosesi çelik cürufunun özelliklerini belirler. Çelik cürufunun kimyasal bileşimi %45-60 CaO, %10-15 SiO₂, %1-5 Al₂O₃, %3-9 Fe₂O₃, %3-13 MgO, %7-20 FeO şeklindedir. Kimyasal bileşim, çelik cürufunun hidrolik aktivitesini belirlemek için çok önemli bir parametredir. Baziklik, A=CaO/(SiO₂+P₂O₅) çelik cürufunun hidratasyon aktivitesini belirlemek amacıyla kullanılabilir [49]. Bazikliklerine göre çelik cürufları 4 farklı gruba ayrılmıştır; olivin grup (A=0,9-1,4), mervinit grup (A=1,4-1,6), dikalsiyum silikat grup (A=1,6-2,4) ve trikalsiyum silikat grup (A>2,4). Bunlar arasında sadece A>1,8 olan cüruflar çimento malzemesi olarak kullanılabilir.

Bazik oksijen fırını çelik cürufunun mineral yapısında olivin, mervinit, dikalsiyum silikat (C₂S), trikalsiyum silikat (C₃S), tetrakalsiyum alüminaferrit (C₄AF), dikalsiyum ferrit (C₂F), CaO-FeO-MnO-MgO katı çözeltisi (RO fazı) ve serbest CaO bulunur. C₂S, C₃S, C₄AF ve C₂F fazlarının bulunması çelik cürufunun çimentolaşma özelliklerini destekler. Ancak, çelik cürufundaki C₂S ve C3S’in aktivitesi Portland çimentosundan daha düşüktür çünkü soğutma prosesinin hızı daha yavaştır. Çelik cürufu içeren çimentoların su ihtiyacı daha azdır ve daha uzun priz süresine sahiptirler. Çelik cürufunun uygun oranlardaki ilavesi ile betonun mekanik özellikleri geliştirilebilir.

Çelikhane Cürufunun Değerlendirilmesi

Çelikhane cüruflarının değerlendirilmesi amacıyla yapılan bilimsel araştırmalar sonucunda çelikhane cüruflarının özellikle karayollarında ve demiryollarında, çimento sanayinde, tarımda ve cüruf yünü imalatında, konvansiyonel malzemelerin yerine kullanılabildiği ortaya çıkmıştır. Temel ve temel altı malzemesi, toprak seti, dolgu, ana yol banketleri ve sıcak asfalt karışımları uygulamalarında agrega olarak çelik cürufunun kullanımı artık standart bir uygulama haline gelmiştir. Bu alanlarda kullanılmadan önce, uygulama alanına ilişkin özellikleri sağlaması amacıyla çelik cürufları kırılarak elenmelidir. Hidratasyonun sebep olduğu genleşmeyi önlemek amacıyla yaşlandırma prosesi uygulanmalıdır. Çelikhane cürufları, serbest kireç ve nadir elementler içerdiğinden toprağın koşullandırılmasında da kullanılabilmektedir. Çelikhane cürufları sert yapıları nedeniyle yolların taban ve alt taban uygulamaları için uygundur. Çelikhane cürufunun mineralojik ve fiziksel özellikleri üzerine yapılan çalışmalar çelikhane cürufunun iyi bir yol malzemesi olduğunu ispatlamıştır. Ayrıca, çelikhane cürufu demir yolu raylarında balast malzemesi olarak da kullanılabilir.