Krom ve nikelin Fe-C alaşımına direkt redüksiyonu

Abstract

Bu tez çalışmasında farklı oranlarda kromit konsantresi, nikel oksit ve curuflaştırıcı kullanarak karbona doyurulmuş Fe-C alaşımında krom ve nikelin redüksiyonu araştırılmış, yüksek konsantrasyon ve verimle metalik faza kazanım şartlan incelenmiştir. Bu amaçla kromit konsantresi miktarı, ilave curuflaştırıcı bileşimi ve reaksiyon süresi değiştirilerek bu parametrelerin etkisi araştınlmıştır. Deneysel çalışmalar hurda demirin karbona doyurulması ve redükleyici ergitme olmak üzere 2 kademeden oluşmaktadır. Karbona doyurma deneylerinde grafit potaya 40 g hurda demir konularak Tammann fırınına yerleştirilmiştir. Yaklaşık 50- 55 dakika içerisinde 1600 °C ye çıkılmış ve argon gazı üflenerek koruyucu atmosfer sağlanmıştır. 1600 °C de 10 dakika beklenerek hurda demir karbona doyurulmuş ve firm kapatılarak oda sıcaklığına soğutulmuştur. İkinci kademede farklı miktarlarda kromit konsantresi, nikel oksit ve curuflaştıncıdan oluşan karışım grafit potadaki Fe - C alaşımı üzerine ilave edilerek Tammann fırınına yerleşlmlmiştir. Karbona doyurma deneyindeki aynı deney şartlarında ve 1600 °C de farklı sürelerde beklenerek redükleyici ergitme deneyleri yapılmıştır. Bu deneylerin sonucunda metal, cüruf fazlan dışında uluslararası literatürde piril olarak adlandınlan metal - cüruf ara yüzeyinde ve pota çeperlerinde metal damlalan oluşmuştur. Daha sonra grafit pota kınlarak metal, cüruf ve piril fazlan birbirinden aynlmış ve kimyasal analizleri yapılmıştır. Karbona doyurma deneylerinde sıcaklık 1600 °C 'de sabit tutulup zamana bağlı olarak hurda demirin çözdüğü karbon yüzdesi ölçülmüş ve bunun sonucunda 1600 °C 'de 10. dakika sonunda metalik fazdaki karbon içeriğinin % 5 olduğu ve artan süreyle değişmediği belirlenmiştir. Redükleyici ergitme deneylerinde sıvı fazda cüruf oluşumunu sağlayabilmek amacıyla curuflaştıncı ilave edilmiş ve bunun için CaO ve SİO2 seçilmiştir. İlave curuflaştıncmm miktarını belirlemek amacıyla CaO/Si02 oranının 1 olduğu şartlarda kromit konsantresi/hurda demir oram 1, nikel oksit/curuflaştıncı oram 0.25 ve curuflaşrıncı/hurda demir oram 0.1 alınarak 1700 °C ye çıkılmıştır. Ancak bu şartlarda sıvı cürufun oluşmadığı gözlenmiş ve diğer bütün parametreler sabit tutularak curuflaştıncı/hurda demir oram 0.25 e çıkanlmışür. Bunun sonucunda hem 1700 °C de hem de 1600 °C de sıvı cüruf fazının oluştuğu görülmüştür. Karbona doyurma ve ilave curuflaştıncı miktarının belirlenmesinin ardından farklı kromit konsantresi oranının ve redüksiyon süresinin etkisini incelemek amacıyla deneyler yapılmıştır. Bu amaçla 0.6, 0.8 ve 1 olmak üzere 3 değişik kromit konsantresi/hurda demir oranında deneyler yapılmıştır. Her bir oran için 0, 30, 60, 120 ve 180 dakika süreli 5 farklı redükleyici ergitme deneyi yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda şarjdaki kromit konsantresinin miktannm artmasıyla kanşımm ergime sıcaklığının arttığı ve sıvı faz oluşumunun daha uzun süreler gerektirdiği saptanmıştır. 0 dakika süreli deneylerde kromit konsantresi/hurda demir oranının 0.6, vıu 0.8 ve 1 olduğu şartlarda metalde krom ve nikel sırasıyla % 1.25 Cr - % 1.74 Ni, % 0.77 Cr - % 1.28 Ni ve % 1.64 Cr - % 1.66 Ni olarak bulunmuştur. Redüksiyon süresinin 120 dakikaya uzatılmasıyla metalde ki krom ve nikel konsantrasyonları sürekli artmış ve yukarıdaki değerler sırasıyla % 10.84 Cr - % 1 1.06 Ni, % 12.04 Cr - % 9.88 Ni ve % 14.37 Cr - % 11.41 Ni olmuştur. Metalde silisyum konsantrasyonu % 0.5 - % 1, karbon konsantrasyonu % 4 - 5 ve kükürt konsantrasyonuda % 0.012 - 0.087 aralıklarında değiştiği görülmüştür. Metaldeki krom ve nikel konsantrasyonlanmn artmasına paralel olarak cüruftaki krom ve nikel konsantrasyonlanmn artan redüksiyon süresiyle azaldığı tespit edilmiştir. Kromit konsantresi/hurda demir oranının 0.6, 0.8 ve 1 olduğu şartlarda 0 dakika süreli deneyler sonucunda cüruftaki krom konsantrasyon değerleri sırasıyla % 18.7, 21.64 ve 21.65, nikel konsantrasyonları da % 16.51, 16.36 ve 12.65 olarak bulunmuştur. Redüksiyon süresinin 120 dakikaya çıkarılmasıyla krom konsantrasyon değerleri sırasıyla % 1.51, 10.37 ve 8.84 e, nikel konsantrasyon değerleri de sırasıyla % 0.88, 4.04 ve 2.4 e düşmüştür. 120 dakika sonucunda cürufta en düşük krom konsantrasyon değerinin kromit konsantresi/hurda demir oranının 0.6 değerinde elde edilmesiyle, kromit konsantresinin şarjdaki oranının artmasının redüksiyonu zorlaştırdığı anlaşılmıştır. Krom ve nikel için metale kazanım verimleri hesaplanmış ve bu değerlerin artan kromit konsantresi miktarıyla azaldığı görülmüştür. 0 dakikalık deneylerin sonucunda kromit konsantresi/hurda demir oranının 0.6, 0.8 ve 1 olduğu şartlarda krom için sırasıyla % 10.7, 3.36 ve 5.85 olurken, nikel için sırasıyla % 13.6, 7.01 ve 9.28 olmuştur. Bu değerler sürenin 120 dakikaya uzatılması sonucunda krom verimleri sırasıyla % 88.07, 71.18 ve 68.85 e, nikel verimleri de sırasıyla % 84.53, 73.26 ve 85.68 e yükselmiştir. Metale kazanım verimleri hesaplanırken piril fazlan dikkate ahnmamıştır. Ağırlık olarak metal fazına göre çok daha az oluşan piril fazlanmn krom konsantrasyonu % 14 - 34, nikel konsantrasyonu ise % 17 - 53 arasında değişmektedir. İlave curuflaştıncının bileşimi değiştirilerek CaO/SiC^ oranının etkisini incelemek ve en uygun cüruf bileşiminin bulunması amacıyla farklı CaO/SiC^ oranlarında deneyler yapılmıştır. Bu amaçla farklı CaO/Si02 oram olarak 0.5, 1 ve 2 seçilmiş ve bunların dışında sadece CaO ve sadece SİO2 ilaveli deneylerde yapılmıştır. Bu deneylerde kromit konsantresi/hurda demir oram 0.8, nikel oksit/hurda demir oram ile curuflaştıncı/hurda demir oram 0.25 alınarak 1600 °C de 60 dakika süreli redükleyici ergitme deneyleri yapılmıştır. En iyi sonucun 1 oranında elde edilmesi ile bu bileşimin bir ötektik noktaya denk geldiği anlaşılmıştır. Bu şartlarda metalde % 8.07 Cr ve % 6.15 Ni konsantrasyonlan ile birlikte birlikte krom için % 42.86, nikel için de % 40.95 metale kazanım verim oranlan elde edilmiştir. Diğer oranlarda yapılan deneylerde bu sonuçların allında kaimmiş ve cürufun tam olarak ergimediği görülmüştür. Sadece SİO2 ilaveli deneyde ise cürufun erimesine rağmen metalde ki konsantrasyonlar % 5.43 Cr ve % 4.25 Ni olarak bulunmuş ve metale kazanım verimleri her iki metal için de % 27 yi geçememiştir. Bu deneyler de en düşük değerler sadece CaO ilaveli deneylerde edilmiştir. Bu deneyde metalde % 2.73 Cr ve % 1.66 Ni konsantrasyon değerleri elde edilirken, metale kazanım verim değerleri krom için % 12.28, nikel için ise % 9.37 olarak hesaplanmıştır.

In this thesis study reduction of chrome and nickel at carbon saturated Fe-C alloy and recovery of these metals to the metallic phase with high concentrations and recovery percentages were searched by using different amounts of chromite concentrates, nickel oxide and flux. For this purpose, amount of chromite concentrate, composition of flux and reaction time were changed in order to investigate the effects of these parameters. Experimental studies consist of 2 stages which are saturation of iron scrap and smelting reduction. At the carbon saturation experiments 40 g of iron scrap were put into a graphite crucible and then installed into the Tammann furnace. The temperature was reached to 1600 °C within 50-55 minutes and argon gas was blown in order to create a protective atmosphere. After awaiting 10 minutes at 1600 °C, the furnace was shut down and cooled to the room temperature. At the second stage, the mixture, consisting of different amounts of chromite concentrates, nickel oxide and flux, were added on to the Fe-C alloy at the graphite crucible and installed into the Tammann furnace. The smelting reduction experiments were carried out at the same conditions with carbon saturation experiment by awaiting at 1600 °C at different times. Addition to the metallic and slag phases, metallic droplets were formed at the metal - slag interface and at the walls of the crucible. After the experiment graphite crucible was broken and the three phases were separated for the chemical analysis. At the carbon saturation experiments, the percentage of carbon was measured according to the time at 1600 °C. As a result of this it was found that the carbon percentage of the metallic phase was % 5 after 10 minutes reaching to 1600 °C and did not change witii the time. At the smelting reduction experiments, flux was added in order to obtain a liquid slag. CaO and SİO2 were used as a flux. In order to determine the amount of flux at the rate of CaO/Si02 : 1 and at the conditions of chromite concentrate/iron scrap : 1, nickel oxide/iron scrap : 0.25 and flux/iron scrap : 0.1, the temperature was increased to 1700 °C. However a liquid slag formation was not observed at these conditions. As a result of this flux/iron scrap rate was increased to 0.25 and liquid slag phase was observed at both 1 700 °C and 1 600 °C. After determining the time for carbon saturation and amount of flux, experiments were carried out in order to study the effect of different amounts of chromite concentrate and reaction time. The experiments were carried out at 3 different chromite concentrate/iron scrap as 0.6, 0.8 and 1. For each rate 5 different smelting reduction experiments were carried out by awaiting at 1600 °C for 0, 30, 60, 120 and 180 minutes. As a result of these experiments it was found that as the amount of the chromite concentrate increases at the mixture, the melting point of the mixture increases and the formation of liquid slag needs more time. For the 0 minute experiments and rates of chromite concentrate/iron scrap : 0.6, 0.8 and 1, chrome and x nickel concentrations at the metallic phase were found respectively % 1.25 Cr - % 1.74 Ni, % 0.77 Cr - % 1.28 Ni ve % 1.64 Cr - % 1.66 Ni. As the reduction time increased to 120 minutes chrome and nickel concentrations at the metallic phase were also increased and the above percentages became % 10.84 Cr - % 1 1.06 Ni, % 12.04 Cr - % 9.88 Ni ve % 14.37 Cr - % 11.41 Ni. Silicon, carbon and sulphur concentrations at the metallic phase were found % 0.5 - % 1, % 4 - 5, % 0.012 - 0.087 respectively. It was found that chrome and nickel concentrations at the slag phase were decreasing with increasing time. For the 0 minute experiments and rates of chromite concentrate/iron scrap : 0.6, 0.8 and 1, chrome concentrations at the slag phase were found respectively % 18.7, 21.64, 21.65 and nickel concentrations were found as % 16.51, 16.36 ve 12.65 respectively. By increasing the reduction time to 120 minutes, chrome concentrations were decreased to % 1.51, 10.37, 8.84 and nickel concentrations decreased to % 0.88, 4.04, 2.4 respectively. Obtaining the lowest chrome concentration at the slag phase shows that increasing the amount of the chromite concentrate makes reduction more difficult. Recovery values of chrome and nickel to the metal were calculated and it was found that the values are decreasing with the increasing amounts of chromite concentrates. For the 0 minute experiments and rates of chromite concentrate/iron scrap : 0.6, 0.8 and 1, chrome recovery values were found % 10.7, 3.36, 5.85 and nickel recovery values were found % 13.6, 7.01, 9.28 respectively. These values changed by increasing the time to 120 minutes as % 88.07, 71.18, 68.85 and % 84.53, 73.26, 85.68 for chrome and nickel respectively. Metal droplets were not taken into account for the recovery values. The weights of these metal droplets were very low compared to the metallic phase and this phase consists of % 14 - 34 Cr and % 17 - 53 Ni. Experiments were carried out at different CaO/Si02 rates in order to investigate the effect of CaO/SiC<2 rate and determine the most suitable slag composition. For this aim 0.5, 1 and 2 were chosen as different CaO/SiCb rates and addition to these experiments with only CaO and SİO2 were carried out. These experiments were carried out at 1600 °C for 60 minutes at the conditions of chromite concentrate/iron scrap : 0.8, nickel oxide/iron scrap : 0.25 and flux/iron scrap : 0.25. The best results were obtained at the CaO/Si02 : 1 rate and this shows that this composition has an eutectic point. At this rate the metallic phase has an chrome concentration of % 8.07 and a nickel concentration of % 6.15 with recovery values of % 42.86 and % 40.95 respectively. The experiments which were carried out at different CaO/Si02 rates resulted with lower values and a liquid slag phase formation was not observed at these experiments. The experiment with only SİO2 addition resulted with a liquid slag but the chrome and nickel concentrations at the metallic phase were % 5.43 Cr and % 4.25 Ni with the recovery values could not exceed over % 27. The lowest values were obtained at only CaO addition experiment. At this experiment % 2.73 Cr ve % 1.66 Ni concentrations were obtained at the metallic phase with the recovery values of % 12.28 and % 9.37 respectively.