Derin Okuma — BOF Konverteri

Linz'de bir kepçe devrildi

1952 sonbaharında Avusturya'nın Linz kasabasında bir mühendis ekibi, kepçedeki sıvı pik demirin üstüne saf oksijen üflemeye karar verdi. O güne kadar çelik, açık ocak fırınlarında saatler boyu kaynatılarak yapılırdı. Linz ekibi bunu on beş dakikaya indirdi. Bugün dünyada üretilen çeliğin kabaca yüzde yetmişi hala aynı mantıkla, aynı reaksiyonla dönüyor. Peki bu kadar basit bir fikrin önünde neden yarım yüzyıl bekledik?

Oksijen neden bu kadar geç fark edildi

Cevap, oksijenin kendisinde değil, onu taşıyan boruda saklı. Saf oksijen 1.500 derecenin üstünde çelik bir lüleyi saniyeler içinde yer. 1950'lere kadar oksijen üretimi hem pahalı hem de düşük saflıktaydı. Linde-Frankl döngüsüyle oksijen ayrıştırma ucuzlayınca, boruya su ceketi giydirme fikri de olgunlaştı. Su soğutmalı lüle, oksijeni erimiş metalin içine sokmanın anahtarı oldu.

Bir benzetme yardımcı olur. Klasik açık ocak fırınını, kapağı açık bir tencerede yemeği saatlerce kaynatmaya benzet. BOF ise düdüklü tencere gibi çalışır. Basınç ve sıcaklık yükselir, süre kısalır, ama kapak contası olmadan hiçbir şey olmaz. O conta, su soğutmalı lüledir.

Lülenin içi boş değildir. Tipik bir nozulda üç ile altı arası lüle deliği bulunur, her delik 30-50 milimetre çapındadır. Delikler yakınsak-ıraksak (convergent-divergent) profilli açılır, çünkü oksijen ses hızının üstünde, Mach 1,8-2,2 bandında banyoya girmelidir. Ses altı bir jet dağılır, sıçrama yapar, refrakteri yer. Ses üstü jet ise derine iner ve reaksiyonu banyonun altına taşır. O yüzden nozul geometrisi, tesisin en çok patent başvurusu yaptığı kalemlerden biridir.

Oksijen saflığı da pazarlık konusudur. Çelikhaneye gelen oksijen genelde yüzde 99,5 saflıktadır, geri kalanı argon ve nitrojendir. Saflık yüzde 99,0'a düşerse karbon giderme hızı yüzde 8-10 yavaşlar, çünkü nitrojen banyoda çözünür ve son üründe çatlak başlatır. Yani o binde beşlik fark, ton başına maliyete doğrudan yansır.

Lüle ağzının çapı da sabit değildir. İşlem ilerledikçe sıcak gaz ve sıçrayan curuf, nozul kenarını yer. Bir lüle ömrü tipik olarak 200-400 ısı arasındadır, sonra değiştirilir. Aşınmış nozulda jet genişler, çarpma noktası kayar ve refrakterdeki aşınma cebi yürür. O yüzden operatör, nozul çapını her vardiyada kalibre eder.

Konverterin içinde ne oluyor

BOF konverteri, armut biçimli, içi refrakter tuğlayla kaplı, 200-350 ton kapasiteli bir kaptır. Üstünde su soğutmalı bir lüle, altında ise tüyer denilen gaz delikleri bulunur. İşlem üç aşamada yürür. Önce hurda ve sıvı pik demir şarj edilir. Sonra lüle indirilir ve yüksek saflıkta oksijen, saniyede 600-900 normal metreküp debiyle üflenir. Son olarak kireç, florit ve sinter gibi curuf yapıcılar eklenir.

Reaksiyonun özü şudur. Oksijen, sıvı demirdeki karbonu yakarak karbondioksite çevirir. Karbon yüzde 4 seviyesinden yüzde 0,05'e düşerken açığa çıkan ısı, sıcaklığı 1.600'den 1.700 dereceye taşır. Aynı anda silisyum, manganez ve fosfor da oksitlenip curufa geçer. Yani konverter, hem yakıt hem arıtıcıdır.

Lülenin yüksekliği kritik bir değişkendir. Nozul ile metal banyosu arasındaki mesafe 1,2 metreden 2,5 metreye kadar ayarlanabilir. Lüle çok yakınsa oksijen jeti banyoya gömülür, sıçrama artar ve refrakter hızla aşınır. Çok uzaksa jet dağılır, oksijen verimi düşer ve ısı süresi uzar. Operatör bu mesafeyi her ısıda, curuf köpüğünün yüksekliğine bakarak yeniden ayarlar.

Curufun kendisi bir reaktördür. Kireç (kalsiyum oksit) banyoya atıldığında hemen erimez, önce sıvı curuf fazına geçer ve fosforu oraya çeker. Reaksiyonun yönü sıcaklıkla tersine döner. 620 derecenin altına inerse fosfor curuftan geri döner ve çeliğe karışır.

O yüzden son üç dakikada operatör sıcaklığı düşürmez, düşürse de kireç ekleyerek bazikliği yüksek tutar. Baziklik, yani curuftaki kalsiyum oksidin silisyum dioksite oranı, tipik olarak 2,8-3,5 bandında tutulur. Fosfor geri dönüşü, çelikhanede en pahalı hatadır.

Kükürt için aynı hikaye geçerli değildir. Kükürt daha çok pik demirden gelir ve konverterde sadece yüzde 30-40 oranında giderilir. Kalanı, konverterden sonraki ikincil metalurji istasyonunda, argon püskürtmeli bir potada giderilir. Orada kireç ve alüminyum birlikte atılır, kükürt 20-30 dakikada milyonda 20-30 seviyesine çekilir. Yani BOF tek başına temiz çelik üretmez, sadece yarı yolu kapatır. Analistin çelik kalite sertifikasına bakarken gördüğü kükürt değeri, aslında iki ayrı tesisin ortak çıktısıdır.

On beş dakikada ne değişiyor

Bir BOF dönüşümü tipik olarak 13-18 dakika sürer. Sürenin ilk üçte birinde silisyum ve manganez yanar, sıcaklık hızla tırmanır. Ortada karbon yanması zirve yapar, alevin rengi turuncudan beyaza döner. Sonda fosfor ve kükürt curufa çekilir, sıcaklık stabilize olur. Operatör bu geçişleri alev spektrometresi ve egzoz gazı analiziyle izler.

Alevin rengi bir veri kanalıdır. Karbon yanarken açığa çıkan karbon monoksit, lüle ağzında yanarak turuncu bir alev üretir. Alevin parlaklığı düştüğünde karbon azalıyor demektir. Modern tesisler bu alevi bir kamera ve spektrometreyle izler, karbon eğrisini saniye çözünürlüğünde çıkarır. Egzoz gazındaki karbon monoksit ve karbon dioksit oranı, banyodaki karbonun anlık fotoğrafıdır. Operatör bu iki sinyali birleştirip lüleyi çeker.

Verim tarafında rakamlar nettir. Bir ton sıvı çelik için kabaca 50-60 normal metreküp oksijen harcanır. Kireç tüketimi ton başına 40-60 kilogram bandındadır. Curuf miktarı çelik ağırlığının yüzde 10-15'i kadar çıkar. Karbon geri kazanımı yüzde 90'ın üstündedir. Sayılar, konverterin neden hala elektrik ark ocağıyla rekabet ettiğini açıklar.

Karbon sıcaklık dengesi, işlemin en hassas noktasıdır. Banyoya ne kadar hurda atılırsa sıcaklık o kadar düşer, çünkü hurda erimek için ısı çeker. Tipik bir ısıda hurda oranı yüzde 15-25 arasındadır. Oran yüzde 30'u aşarsa banyo soğur ve karbon yanması yavaşlar. Yüzde 10'un altına inerse sıcaklık 1.750 dereceyi geçer ve refrakter ömrü kısalır. Operatör, pik demirin sıcaklığına ve silisyum içeriğine bakarak hurda miktarını önceden hesaplar.

Pik demirin silisyum içeriği bu hesabın en büyük belirsizliğidir. Yüksek fırından gelen pik demir tipik olarak yüzde 0,4-0,8 silisyum taşır, ama fırın düzensiz çalışırsa bu oran yüzde 1,2'ye çıkar. Silisyum yanarken çok ısı verir, yani sıcak pik demir daha fazla hurda eritebilir. Operatör bu yüzden şarj öncesi pik demirin sıcaklığını (1.300-1.400 derece) ve kimyasını ölçer, sonra hurdayı tartar. Hesap, saniyeler içinde yapılır ama yanlış çıkarsa ısı boşa gider.

Son noktayı karbon ölçümü belirler. Isının sonunda lüle çekilir, konverter yatırılır ve bir örnek alınır. Örnek optik emisyon spektrometresinden geçer, karbon yüzdesi 90 saniyede okunur. Değer hedefin üstündeyse kısa bir oksijen üflemesi daha yapılır, altındaysa banyoya karbon verici (kola veya grafit) atılır. Yani "on beş dakikada karar" aslında on beş dakika artı iki dakikalık düzeltme penceresidir. Pencere, çelikhanenin darboğazıdır ve tesis kapasitesi oradan hesaplanır.

Düzeltme penceresi neden bu kadar kısa diye sorulabilir. Çünkü konverterin altındaki kepçe ve döküm hattı beklemek zorundadır, bekleme süresi sıcaklık kaybı demektir. Sıvı çelik, kepçede dakikada kabaca 1-2 derece soğur. On beş dakikalık gecikme, döküm sıcaklığını on derece düşürür ve kalıp dolumunu bozar. Yani çelikhanenin ritmi, hem reaksiyonun hızına hem de sıcaklık kaybına karşı kurulmuş bir dengedir.

Refrakter ömrü ve duruş maliyeti

Konverterin zayıf noktası refrakterdir. Her dönüşümde tuğla aşınır, tipik ömür 2.000-4.000 ısı arasındadır. Aşınma hızı, curuf bazikliği ve sıcaklıkla doğrudan ilişkilidir. Baziklik 3'ün altına düşerse aşınma hızlanır, 4'ün üstüne çıkarsa kireç maliyeti artar. Operatör bu dengeyi her ısıda yeniden kurar.

Duruş maliyeti yüksektir. Bir konverterin planlı bakımı 24-72 saat sürer ve bu sürede hat kapasitesinin yüzde 20-30'u kaybedilir. O yüzden modern tesisler iki konverteri dönüşümlü çalıştırır. Biri üretirken diğeri kaplama yeniler. Ritim, çelikhanenin nabzıdır.

Refrakter aşınması tek tip değildir. Tuyere bölgesi, lüle karşısındaki aşınma cebi ve curuf hattı farklı hızlarda yer. Lüle karşısındaki bölge, jetin çarptığı nokta olduğu için en hızlı aşınan yerdir. O yüzden bazı tesisler konverteri belirli bir açıyla döndürerek aşınmayı dağıtır. Bir ısıda 0,3-0,5 milimetre tuğla kaybı normaldir. Hız, 3.000 ısılık ömrü açıklar.

Kaplama teknolojisi bu yüzden sürekli evrilir. 1970'lerde hakim olan katran bağlı manyezit tuğlanın yerini, 1990'lardan itibaren reçine bağlı manyezit-karbon tuğla aldı. Yeni tuğla, ısıl şok direncini kabaca iki katına çıkardı ve ömrü 1.500 ısıdan 3.000 ısıya taşıdı. Aradaki fark, ton başına refrakter maliyetini yüzde 40-50 düşürdü. Yani çelik maliyetinin sessiz kalemi, aslında bir malzeme bilimi hikayesidir.

Karbon içeriği bu tuğlanın sırrıdır. Manyezit ısıya dayanıklıdır ama ısıl şoka kırılgandır, karbon ise ısıl şoku emer. Yüzde 10-20 grafit katkısı, tuğlanın ani sıcaklık değişimlerinde çatlamasını engeller. Karşılığında tuğla oksijenle yanabilir, o yüzden yüzeyine antioksidan katman sürülür. Tuğla, hem refrakter hem kompozit bir malzemedir.

Ömür bitince kaplama tamamen sökülmez. Modern uygulama, aşınan bölgeye püskürtme (gunning) ile yama yapmak, ciddi aşınmada ise konverteri çevirip alt gövdeyi yeniden örmektir. Püskürtme yaması bir günde biter, tam yeniden örme 5-7 gün sürer. Tesisin bakım takvimi, çelik fiyatının düşük olduğu dönemlere denk getirilir. Bakım planı, bir bakıma piyasa zamanlamasıdır.

Piyasa Hafızası. Linz-Donawitz, 1952

1952'de Avusturya'nın Linz kentinde VÖEST tesislerinde ilk LD konverteri devreye alındı. O güne kadar çelik, Siemens-Martin açık ocak fırınlarında 8-12 saatte üretiliyordu. LD yöntemi bu süreyi 20 dakikanın altına indirdi ve aynı kapasitede yatırım maliyetini kabaca üçte bire düşürdü. Donawitz'deki ikinci tesisle birlikte yöntem "LD" adıyla yayıldı. On yıl içinde Japonya, Almanya ve ABD'deki büyük üreticiler açık ocak hatlarını kapatıp LD'ye geçti.

Ders şudur. Bir süreç, süreyi bir mertebe kısaltıyorsa, sektörün tamamı bir nesilde yeniden kurulur.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, 300 ton kapasiteli bir konverterin tek ısısındaki temsili ekonomiyi gösterir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Şimdi duyarlılık tarafına bak. Oksijen debisi yüzde 10 artarsa ısı süresi 16 dakikadan 14,5'e iner, ama refrakter aşınması yüzde 15 hızlanır. Kireç oranı yüzde 10 düşerse curuf bazikliği 3,2'den 2,9'a geriler ve fosfor giderme verimi yüzde 92'den 85'e düşer. Yani her parametre, başka bir parametrenin maliyetini büyütür. Konverter operatörlüğü bu yüzden bir optimizasyon mesleğidir.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, BOF bir fırın değil bir reaktördür. Isıyı dışarıdan vermez, karbonun yanmasıyla içeride üretir. O yüzden girdi kompozisyonu, çıktı kalitesini doğrudan belirler.

İkincisi, süre rekabetin kendisidir. 1952'de 12 saatten 20 dakikaya inmek, sadece verimlilik değil, sermaye devir hızını değiştirmekti. Aynı sermaye, aynı tesiste on kat daha fazla ısı döndürür.

Üçüncüsü, refrakter ve curuf dengesi görünmez maliyet merkezidir. Çelik fiyatını okuyan analist, önce konverterin kaç ısı dayandığına bakar. Çünkü orada saklanan sayı, ton başına gerçek maliyetin yarısıdır.