Derin Okuma — Flash Fırın

Tozun içinden geçen bir şimşek

Outokumpu'nun Harjavalta tesislerinde, 1949 yılının ilk denemelerinde mühendisler bir şeyi fark etti. Kuru bakır konsantresi, öğütülmüş toz halinde, reaktörün tepesinden aşağı dökülüyordu. Aşağıda ise önceden ısıtılmış hava ya da oksijenle zenginleştirilmiş gaz, ters yönde yukarı akıyordu. İkisi ortada buluştuğunda, toz bulutu bir anda tutuşuyor ve saniyeler içinde erimiş damlacıklara dönüşüyordu.

O gün bu tesiste kurulan düzenek, bugün dünya bakırının önemli bir kısmının geçtiği bir kapı oldu. Adı flash fırın. Türkçede "şimşek fırını" diye de geçer. Ama işin özü tek bir cümlede saklı. Reaksiyonun kendisi, fırının içinde değil, fırına giren tozun havada asılı kaldığı o kısa anda oluyor.

Peki neden bu kadar önemli? Çünkü madencilikte en pahalı şey, madeni kazmak değil. Onu metal haline getirmek.

Neden toz, neden havada

Klasik yöntemlerde konsantre önce bir ergitme fırınına yığılır, orada saatlerce ısıtılır, sonra cüruftan ayrılır. Flash fırında ise malzeme fırının içinde durmaz. Kurutulmuş konsantre, bir brülörden püskürtülür. Karşısından gelen sıcak gaz onu yakalar. Toz tanesi havada uçarken yüzeyi erir, içindeki sülfür yanar, demir ve bakır oksitlenir. Yere düştüğünde artık sıvı haldedir.

Yaklaşımın mantığı, bir kibritin ucundaki kimyasalın havada yanmasına benzer. Kibriti masaya koyup yakmakla, havaya atıp yakmak arasındaki fark, temas yüzeyidir. Toz halindeki konsantrenin toplam yüzey alanı, aynı kütlenin blok halindekinden binlerce kat fazladır. Yüzey ne kadar genişse, ısı transferi o kadar hızlı, reaksiyon o kadar kısa sürede tamamlanır.

Kısacası flash fırın, malzemeyi bekletmez. Onu bir anlık bir olaya sokar ve çıkarır.

Parçacık boyutu ve kalış süresi

Tozun "havada asılı kaldığı an" kulağa basit geliyor. Oysa mühendislik açısından bu, fırının en hassas ayar noktasıdır. Kurutulmuş konsantrenin tane boyutu genelde 40 ile 100 mikrometre arasındadır. Bu, bir insan saç telinin yarısı ile iki katı arası bir kalınlığa denk gelir. Tane çok iri olursa yüzeyi erir ama merkezi katı kalır, içindeki sülfür yeterince yanamaz. Tane çok ince olursa, püskürtme sırasında birbirine yapışır ve topaklanır.

Parçacığın reaksiyon şaftında kalma süresi tipik olarak 1 ile 3 saniye arasında değişir. Süre, parçacığın büyüklüğüne, püskürtme hızına ve gaz akışının yönüne bağlıdır. Süre bir saniyenin altına düşerse sülfür tam yanmaz, mat ve cüruf ayrımı bozulur. Üç saniyeyi aşarsa parçacık gereğinden fazla oksitlenir ve bakır cürufa kaçar.

O yüzden flash fırın operatörü için asıl kontrol değişkeni sıcaklık değil, kalış süresidir. Sıcaklık yükselir de düşer de. Ama parçacığın şaftta ne kadar kaldığını belirleyen gaz hızı, doğrudan ürün kalitesini ve bakır kaybını belirler. Fırın bir ergitme kabı değil, bir zamanlama cihazı gibi çalışır.

Fırının içindeki üç bölge

Flash fırının şaftı tek bir hacim değil. Kabaca üç bölgeye ayrılır ve her bölge farklı bir iş yapar.

En üstte reaksiyon şaftı vardır. Konsantre buraya püskürtülür, oksijenle buluşur, sıcaklık burada 1.200 ile 1.400 santigrat arasında gezer. Bant, sülfürün yanma ısısının malzemeyi kendi kendine eritebildiği aralıktır. Yani dışarıdan sürekli yakıt vermek zorunda kalmazsın, reaksiyonun kendisi ısı üretir. Olguya ototermik çalışma denir. Konsantrenin sülfür içeriği yeterince yüksekse, fırın dışarıdan neredeyse hiç yakıt almadan döner.

Ortada settler bölgesi vardır. Eriyik buraya akar ve burada iki faza ayrılır. Altta ağır mat denilen bakırca zengin sıvı, üstte hafif cüruf birikir. 250 santigrat arasındadır. Bant çok kritik.

Çünkü mat ile cüruf arasındaki yoğunluk farkı bu sıcaklıkta en net hale gelir. Matın yoğunluğu yaklaşık 5 gram/santimetreküp, cürufun ise 2,8 civarındadır. Aradaki fark ne kadar açılırsa, ayrışma o kadar temiz olur.

Settler bölgesinin bir başka görevi, eriyiğin dinlenmesini sağlamaktır. Reaksiyon şaftından gelen eriyik, içinde hala çözünmemiş taneler ve gaz kabarcıkları taşır. Settlerde bu kabarcıklar yüzeye çıkar, taneler dibe çöker. O yüzden settler ne kadar geniş olursa, ayrışma o kadar iyi olur. Ama geniş settler, daha fazla ısı kaybı demektir. Tasarımın gerilimi tam buradadır.

En altta ise mat ve cüruf ayrı ayrı alınır. Mat, sonraki dönüştürücüye gider. Cüruf ise atılır ya da içindeki bakırı geri kazanmak için yeniden işlenir. Bir flash fırının mat tenörü tipik olarak yüzde 45 ile 65 arasında bakır içerir. Değer ne kadar yüksekse, sonraki dönüştürme adımı o kadar az enerji ister.

Oksijen zenginleştirmesi neden her şeyi değiştirir

Flash fırının ilk yıllarında üflenen gaz, normal havaydı. Havada oksijen oranı hacimce yaklaşık yüzde 21'dir. Geri kalanı büyük ölçüde azottur. Azot reaksiyona girmez, sadece ısınır ve baca gazıyla birlikte dışarı çıkar. Da ciddi bir ısı kaybı demektir.

1970'lerden itibaren tesisler üflenen havayı oksijenle zenginleştirmeye başladı. Bugün tipik bir flash fırında bu oran hacimce yüzde 50 ile 75 arasında değişir. Bazı tesislerde neredeyse saf oksijen kullanılır. Oksijen oranı arttıkça, aynı miktarda konsantreyi eritmek için gereken gaz hacmi düşer. Daha az azot ısınır, daha az baca gazı çıkar, daha az ısı kaybolur.

Değişimin ekonomik etkisi büyüktür. Bir flash fırının kapasitesi, çoğu zaman fırının fiziksel boyutuyla değil, oksijen tesisinin kapasitesiyle sınırlıdır. Yani bir tesisi büyütmek istiyorsan, önce oksijen üretimini büyütmen gerekir. Bu, tesisin darboğazının nerede olduğunu belirleyen temel sorudur.

Oksijen zenginleştirmesinin bir de baca gazı tarafı vardır. Oksijen oranı yükseldikçe, baca gazı hacmi küçülür ama içindeki kükürt dioksit derişimi artar. Kükürt dioksit, sülfürün yanmasıyla açığa çıkar ve bu gazın yakalanması gerekir. Çoğu tesiste bu gaz, sülfürik asit üretimine yönlendirilir. Yani bir flash fırın, sadece bakır değil, yan ürün olarak asit de üretir. Bu, tesisin ekonomisini iki taraflı besler.

Cüruf neden hala bakır kaybettiriyor

Flash fırının kimyasal verimliliği yüksektir ama mükemmel değildir. Bakırın bir kısmı, mat ile cüruf ayrılırken cüruf fazına geçer. Kayıp iki biçimde olur. Birincisi, eriyikte çözünmüş bakır oksittir. İkincisi, cürufun içinde asılı kalmış küçük mat damlacıklarıdır.

İkinci kayıp, birinciden genellikle daha büyüktür. Damlacıklar, settlerde yeterince zaman geçirmediğinde dibe çökemeden cürufla birlikte alınır. Çözüm basit görünür ama pahalıdır. Cüruf, ayrı bir elektrik fırınında yeniden eritilir ve içindeki bakır geri kazanılır. Işlem, tesisin enerji tüketimini artırır.

Cüruf kaybını azaltmanın bir başka yolu, cürufun bileşimini ayarlamaktır. Cürufa silis ve kireç eklenir, böylece eriyiğin viskozitesi düşer. Viskozite düştükçe mat damlacıkları daha kolay dibe çöker. Tipik bir cürufta silis oranı yüzde 30 ile 40, demir oranı yüzde 35 ile 45 arasında tutulur. Oranlar bozulursa, ayrışma kalitesi düşer ve kayıp artar.

Peki bu kayıp neden tam olarak çözülemiyor? Çünkü viskozite ile sıcaklık birbirine bağlıdır. Daha akışkan cüruf için daha yüksek sıcaklık gerekir. Yüksek sıcaklık ise daha fazla enerji ve daha fazla refrakter aşınması demektir. Fırının iç duvarı, bu sıcaklıkta yılda birkaç santimetre aşınır. Bakım maliyeti, kaybedilen bakırın değerine yaklaşabilir.

Piyasa Hafızası

1949 yılında Finlandiya'nın Outokumpu bölgesinde, Harjavalta tesisinde ilk endüstriyel flash fırın devreye alındı. O dönemde bakır ergitme, genellikle katı yakıtlı ya da elektrikli fırınlarda, uzun süreli ve enerji yoğun bir işlemdi. Outokumpu mühendisleri, konsantreyi kuru toz halinde püskürtüp oksijenle buluşturduğunda, reaksiyonun saniyeler içinde tamamlandığını gördü. Bu, o güne kadar alışılmış bir yaklaşım değildi.

Tesisin ilk yıllarında kapasite mütevazıydı. Ama teknoloji kısa sürede lisanslanarak dünyaya yayıldı. 1960'lardan itibaren Japonya, Kanada, Şili ve Avustralya'daki bakır tesisleri flash fırına geçmeye başladı. Bugün dünya birincil bakırının önemli bir kısmı bu teknolojiyle üretiliyor.

Ders şu. Bir süreçte kazanç, çoğu zaman daha büyük ekipmanla değil, reaksiyonun kendisini daha kısa sürede bitirmekle gelir. Outokumpu'nun 1949'daki hamlesi, madencilik metalurjisinde bir kırılma noktası oldu.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, temsili bir flash fırın ekonomisini gösterir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Tablodaki en kritik satır, oksijen tüketimi. Çünkü bir flash fırının darboğazı genellikle fırın değil, oksijen tesisidir. Oksijen oranını yüzde 60'tan yüzde 70'e çıkardığında, aynı fırınla daha fazla konsantre eritebilirsin. Ama oksijen tesisi bunu karşılayamıyorsa, fırın kapasitesi boşta kalır.

İkinci kritik satır, cürufta kaybedilen bakır. Yüzde 1,5 küçük görünür. Ama 156.000 ton bakır içeriğinde bu, yılda yaklaşık 2.300 ton bakırın cürufla birlikte atılması demektir. Bakır fiyatı ton başına 9.000 dolar civarında olduğunda, bu kayıp yılda 20 milyon doları aşar. O yüzden cüruf, çoğu tesiste atılmaz, yeniden işlenir.

Duyarlılık tarafı şu. Cüruf kaybını yüzde 1,5'ten yüzde 1'e indirirsen, geri kazanılan bakır yaklaşık 780 ton artar. Yıllık kazanç 7 milyon dolar civarında büyür. Ama bunu başarmak için cüruf fırınına daha fazla enerji ve daha fazla refrakter harcarsın. Net kazanç, bu iki kalemin farkıdır. Yani asıl soru, kaybı sıfıra indirmek değil, nerede durmanın doğru olduğudur.

Okuma çerçevesi

Flash fırını anlamak için üç katmanı ayırmak gerekir.

1. Kimyasal katman. Reaksiyon, tozun havada asılı kaldığı saniyeler içinde olur. Yüzey alanı hızı, parçacık boyutu ve kalış süresi verimi belirler. 2. Termal katman.

Oksijen zenginleştirmesi, azot yükünü azaltarak ısı kaybını düşürür. Bu, kapasitenin gerçek sınırını belirler. 3. Ekonomik katman. Fırının darboğazı çoğu zaman fırın değil, oksijen tesisi ve cüruf kaybıdır.

Üç katmanı birlikte okumayan bir analiz, flash fırını sadece "hızlı bir fırın" olarak görür. Oysa mesele hız değil, hızın nerede kazanç, nerede kayıp ürettiğidir.

Bir süreci hızlandırmak, onu anlamanın yerini tutmaz.