CaO-Al2O3-SiO2-FetO-MgO cüruf sisteminin MgO-C refrakterlerde korozyon etkisi

Abstract

Günümüzde, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan refrakter malzemelerin geliştirilmesi ve kullanımı, endüstriyel süreçlerin verimliliği ve dayanıklılığı için ayrılmaz bir öneme sahiptir. 1950 yıllarından sonra karbon, refrakter malzemelerin önemli bir bileşeni haline gelmiştir. Refrakterlere karbon ilavesinin daha iyi termal iletkenlik ve kimyasal direnç ile sonuçlandığı ve bu sayede refrakter ömrünün arttığı; dolaylı olarak üretim maliyetlerinin düştüğü gözlemlenmiştir. Bu anlamda, magnezya-karbon (MgO-C) refrakter tuğlalar, çelik sektöründe yaygın olarak kullanılan ve olağanüstü performans gösteren malzemeler arasında yer almaktadır. En iyi işletme şartlarında spesifik tüketimleri bir ton çelik üretimi başına Bazik Oksijen Fırını (BOF) için 3 kilogram ve Elektrik Ark Ocağı (EAO) için 2,5 kilogram mertebelerine çıkabilmektedir. Çelik endüstrisi, yüksek miktarda sera gazı emisyonuna sahip bir sektördür. 197 ülke tarafından imzalanmış Paris Anlaşması küresel sera gazı salınımının azaltması ve iklim değişikliği ile mücadeleyi amaçlamakta ve 2100 yılına kadar kademeli olarak atmosferdeki sera gazı konsantrasyonunu dengelemeyi hedeflemektedir. Bunun, çelik endüstrisi gibi sera gazı yoğun sektörlerde emisyonların azaltılmasına yönelik teşvik edici bir rol oynaması beklenmekte, yeşil teknolojilere yatırımların artacağı ön görülmektedir. Özellikle çelik sektörü için 2050 yılı itibariyle dünya genelinde EAO ile çelik üretiminin %57 oranına artacağı tahmin edilmektedir. Zira, 2019 yılı itibariyle demir-çelik sektörünün sebep olduğu toplam 3.6 Gt CO2 emisyonunun %86'na yüksek fırın-bazik oksijen fırını (YF-BOF) ile çelik üretimi sebep olmuştur. Bu tez çalışmasında gelecek yıllar içerisinde küresel ölçekte artması beklenen elektrik ark ocağı (EAO) ile çelik üretiminde oluşan ve zengince FeO içeren CaO-Al2O3-SiO2-MgO-FeO cüruf sisteminin MgO-C tuğla üzerindeki korozif etkisi laboratuvar çalışmaları ile incelenmesi ve sonuçların bilgisayar tabanlı termodinamik modeller ile desteklenerek korozyon mekanizmasının açıklanması amaçlanmıştır. Bu kapsamda öncelikle yerli bir refrakter üreticisinden EAO cüruf seviyesinde kullanılan pul grafit ve ergimiş magnezya bileşenlerinden oluşan MgO-C tuğla temin edilmiştir. Bu kompozit refrakterlerin öncelikle fiziksel, kimyasal ve mikroyapı analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonrasında %20 ve %30 FeOt ihtiva eden 1,5 baziklik oranına (CaO/SiO2) sahip CaO-Al2O3-SiO2-FeO-MgO cüruf sistemi sentetik olarak hazırlanmıştır. Refrakter ile sentetik cürufların karakterizasyonu işlemleri neticesinde elde edilen sonuçlara müteakip FactSageTM 8.1 yazılımıyla cüruf sistemi ve cüruf-refrakter arayüzey reaksiyonları özelinde termodinamik ve termokimyasal modellemeler gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan cürufların MgO-C refrakterlerdeki korozyon etkisini incelemek üzere 1550 °C'de statik küp testleri gerçekleştirilmiş; enine kesit alınan numunelerde Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Enerji Dağılım Spektrometresi (EDS) analizleri yapılarak artan miktarda FeO ihtiva eden CaO-Al2O3-SiO2-MgO cüruf sistemlerinin MgO-C refrakter üzerindeki korozyon etkisi irdelenmiştir. Gerçekleştirilen deneysel çalışmalar ve cüruf-refrakter arayüzey termokimyasal modelleme çalışmaları birbirleriyle uyumludur. Model sonuçlarından beklenildiği üzere deneysel çalışmalar neticesinde refrakter dış yüzeyinde sırasıyla koruyucu MV katı çözelti yığın katmanı ve MgO katmanlarının oluşumu SEM-EDS analizleriyle tespit edilmiştir. Artan FeO miktarının MV katı çözelti katmanının kalınlığının artmasına sebep olmuştur. ImageJ ile yapılan ölçüm analizlerinde %30 FeO ihtiva eden cüruf ile MgO-C refrakterin teması sonucunda MV katı çözeltisinin kalınlığın ortalama 934 µm; %20 FeO ihtiva eden cüruf sonucunda ise 649 µm kalınlık tespit edilmiştir. Korozyonun erken safhasında bazikliği (CaO/SiO2) 1,5 olan ve %20 ve %30 FeO ihtiva eden her iki cüruf da tuğla numunesi içerisine tane sınırlarından; por ve kanallardan penetre olduğu gözlemlenmiş ve penetre olan cürufun CaO-SiO2-MgO sisteminden oluştuğu tespit edilmiştir. Penetrasyon cürufu MgO doygunluğuna ulaşıncaya dek MgO agregasını meydana getiren taneleri çözdüğü gözlemlenmiştir.