Derin Okuma — Sinter Tesisi

Tozun içinden geçen yol

Bir demir cevheri madeninden çıkan malzemenin yarısı, doğrudan yüksek fırına giremeyecek kadar küçüktür. Toz halindeki bu kısım, rüzgarda savrulur, fırın içinde kanallanır, gaz akışını bozar. Çelik üreticisi için bu bir atık değil, çözülmesi gereken bir mühendislik problemidir. Çözümün adı sinterdir.

Sinter tesisi, demir cevheri tozunu kok tozu ve kireçtaşıyla karıştırıp, bir bant üzerinde yakarak topak haline getiren bir ara istasyondur. Çıkan ürün, yüksek fırının besleyebileceği boyuta ve mukavemete ulaşır. Peki neden bu kadar dolambaçlı bir yol seçilir?

Neden doğrudan fırına atılmaz

Yüksek fırın, içine doldurulan malzemenin taneleri arasından gazın geçmesini bekler. Tane boyu 5 milimetrenin altına düştüğünde, malzeme yatağı neredeyse geçirimsiz bir duvara dönüşür. Gaz kanalları tıkanır, basınç kaybı artar, fırın boğulur. Duruma "flooding" denir ve üretimi saatler içinde durdurabilir.

Sinterlemenin özü, bu geçirgenliği geri kazanmaktır. Toz, 5-50 milimetre aralığında gözenekli topaklara dönüştürülür. Topakların arasında kalan boşluklar, sıcak gazın yukarı doğru rahatça yükselmesine izin verir. Yani sinter, kimyasal bir dönüşümden çok, fiziksel bir düzenleme işlemidir.

İkinci işlev daha az bilinir. Sinterleme sırasında kükürt ve alkali bileşiklerin bir kısmı buhar fazına geçip uzaklaşır. Yüksek fırına giren malzemenin kükürt yükü azalır, bu da çeliğin kalitesini doğrudan etkiler. Alkali bileşiklerin fırında birikmesi refrakter tuğlaları yer, fırın ömrünü kısaltır. Sinter, bu yükün bir kısmını daha fırına girmeden alır.

Üçüncü işlev, kalsinasyondur. Kireçtaşı içindeki karbonat, sinter bandında 900 derecenin üzerinde parçalanır ve karbondioksit olarak ayrılır. Kalan kalsiyum oksit, yüksek fırında doğrudan cüruf yapıcı olarak iş görür. Reaksiyonu fırına taşımak, fırının ısı dengesini bozar.

Dördüncü işlev, çinko kontrolüdür. Hurda ve bazı cevherlerle gelen çinko, yüksek fırında buharlaşıp üst bölgede yoğunlaşır ve fırın duvarında kabuk yapar. Sinter bandında çinkonun bir kısmı uçucu hale gelip baca gazıyla alınır. Tesis, bu yolla yüksek fırının çinko yükünü sınırlar. Tipik bir tesiste çinko girişi kilogram başına 100-200 gram aralığında tutulur.

Bant üzerinde 1.300 derece

Sinterlemenin kalbi, hareketli bir ızgara banttır. Karışım, bant üzerine 300-600 milimetre kalınlığında serilir. Bant ilerlerken üstteki bir ateşleme başlığı, yüzeydeki koku tutuşturur. Tutuşan bölge, alttan çekilen hava akımıyla aşağı doğru ilerler.

İlerleyen yanma cephesi, "flame front" olarak adlandırılır. Cephenin sıcaklığı 1.250-1.350 derece bandında seyreder. Cephe bant boyunca ilerlerken, geçtiği bölgedeki taneler kısmen erir ve birbirine yapışır. Bant sonuna gelindiğinde karışım artık topak halindedir.

Kritik parametre, cephenin ilerleme hızıdır. Çok hızlı ilerlerse taneler yeterince kaynaşmaz, topaklar dağılır. Çok yavaş ilerlerse bant kapasitesi düşer, enerji tüketimi artar. Tipik bir tesiste cephe hızı dakikada 15-25 milimetre aralığında tutulur.

Bant hızı ile cephe hızı birbirine bağlıdır. Bant dakikada 1,5-2,5 metre ilerlerken, cephenin bant boyunca tam turu 20-30 dakika sürer. Süre, tesisin en temel tasarım kısıtıdır. Bant genişliği 3-5 metre arasında değişir ve emiş fanı bant boyunca 10-20 ayrı hava kutusuna ("windbox") bölünmüş bir emiş sistemiyle çalışır. Her kutunun altındaki ayar kelebeği, yerel hava akımını ayrı ayrı kontrol eder.

Cephenin altındaki bölgeye "soğuma zonu" denir. Burada sıcaklık kademeli olarak düşer ve topaklar mukavemet kazanır. Soğuma çok hızlı olursa termal şok, topakları çatlatır. Çok yavaş olursa bant kapasitesi düşer. Operatör, hava akımını bu dengeyi tutacak şekilde ayarlar.

Bant sonundaki kırıcı, topakları kırıp eleme ünitesine gönderir. Eleme, ürünü üç sınıfa ayırır. 5 milimetrenin altındaki ince kısım geri döner. 5-50 milimetre arası yüksek fırına gider. 50 milimetrenin üstündeki iri parça tekrar kırılır.

Ürünün en kritik kalite göstergesi, mekanik dayanımdır. Tumbler testi, sinteri bir tamburda döndürüp kırılma oranını ölçer. Standart gösterge, 6,3 milimetre üzerinde kalan kütle oranıdır ve tipik değer yüzde 65-78 bandındadır. Düşük dayanım, yüksek fırında ince toz üretir ve geçirgenliği bozar. Tesis için bu, kendi ürününü geri işlemek zorunda kalmak anlamına gelir.

Karışım oranı neden bu kadar hassas

Sinter karışımı üç ana bileşenden oluşur. Demir cevheri tozu ana gövdeyi, kok tozu yakıtı, kireçtaşı ise flux görevini üstlenir. Flux, yani eritici, karışımdaki silis ve alümina gibi istenmeyen bileşenlerle birleşip cüruf oluşturur.

Tipik bir karışımda demir cevheri yüzde 55-65, geri dönen sinter yüzde 20-30, kok tozu yüzde 3-5, kireçtaşı yüzde 8-12 bandında yer alır. Geri dönen sinter, eleme sonrası boyut tutmayan malzemenin tekrar karışıma katılmasıdır. Geri dönüş, hammadde kaybını yüzde 5'in altına indirir. Karışım önce bir tambur mikserde yüzde 6-8 nemle yoğurulur, sonra ikinci bir mikserde topaklanma için granülleme yapılır. İki kademeli karıştırma, tanelerin yüzeyine ince bir su filmi bırakır ve yanma cephesinin düzgün ilerlemesini sağlar.

Kok oranındaki yüzde 0,5'lik bir sapma, cephe sıcaklığını 50-80 derece oynatabilir. Sıcaklık düşerse topaklar zayıf kalır, yüksek fırında dağılır. Sıcaklık yükselirse karışım erken erir, bant üzerinde cüruf birikintisi oluşur. Operatör için bu, sürekli bir denge oyunudur.

Nem oranı da aynı derecede kritiktir. Karışımdaki su yüzde 6-8 bandında tutulur. Fazla su, yanma cephesini soğutur ve ilerlemeyi yavaşlatır. Az su, tozlanmaya ve malzeme kaybına yol açar. Nem, tesise giren cevherin mevsimsel rutubetine göre her vardiyada yeniden ayarlanır. Yağışlı dönemde cevherin taşıdığı su, karışım hesabından düşülür. O yüzden aynı formül, yılın farklı aylarında farklı sonuç verir.

Baziklik oranı, yani kireçtaşının silise oranı, sinterin en kritik kalite göstergesidir. Tipik değer 1,8-2,2 bandındadır. Oran düşerse cüruf asidik kalır ve yüksek fırında kükürt tutamaz. Oran yükselirse sinterin erime sıcaklığı artar, fırın enerji tüketimi yükselir. Baziklik, yalnızca sinterin değil, yüksek fırın cürufunun da nihai karakterini belirler. O yüzden sinter bazikliği, yüksek fırının cüruf hesabıyla birlikte, tek bir kalem gibi planlanır.

Mağnezit katkısı da karışıma girer. Yüzde 1-2 oranında magnezyum oksit, sinterin yüksek sıcaklık dayanımını artırır. Katkı, yüksek fırında cüruf akışkanlığını düzenler. Katkının maliyeti düşüktür ama etkisi büyüktür. Mağnezit kaynağı genelde dolomit veya serpantindir ve karışıma ayrı bir kantar hattından verilir.

Karışımın bir başka girdisi, geri kazanılan tozdur. Baca gazı filtrelerinden ve bant altı süpürme sisteminden toplanan toz, yüzde 2-4 oranında karışıma geri katılır. Toz, alkali ve ağır metal bakımından zengindir. Sürekli geri katmak, bu bileşenlerin tesis içinde döngüye girmesine yol açar. Operatör, döngüyü kırmak için tozun bir kısmını zaman zaman devre dışına atar.

Baca gazı ve geri kazanım

Sinterleme sırasında açığa çıkan baca gazı, tesisin en büyük çevresel yükünü oluşturur. Gazın içinde kükürt dioksit, azot oksitler ve toz partiküller bulunur. Modern tesislerde bu gaz, elektrostatik filtrelerden ve kükürt giderme ünitelerinden geçirilir.

Geri kazanım tarafı daha az konuşulur. Bant sonundaki sıcak sinter, soğutma sırasında ısısını bırakır. Isı, bir kısmı geri kazanılarak ateşleme başlığına veya buhar üretimine yönlendirilir. Tipik bir tesiste geri kazanılan ısı, toplam enerji girdisinin yüzde 15-25'ine karşılık gelir.

Sinter tesisinin özgül enerji tüketimi, ton başına 1,5-2,0 gigajoule bandındadır. Değerin yaklaşık yarısı kok yakıtından, kalanı elektrik ve doğal gazdan gelir. Enerji maliyeti, tesis işletme giderlerinin yüzde 30-40'ını oluşturur. Emiş fanı, tesisin en büyük tek elektrik tüketicisidir ve toplam elektriğin yüzde 40-50'sini çeker. Fanın basınç kaybı arttıkça tüketim hızla yükselir. Geçirgenliği iyi tutmak, doğrudan faturaya yansır.

Kükürt giderme ünitesi, baca gazına kireç püskürtür. Kükürt dioksit, kalsiyum sülfata dönüşür ve alçı olarak toplanır. Yan ürün, çimento sanayisine satılır. Böylece çevresel maliyetin bir kısmı gelir kalemine dönüşür.

Atık gazın bir kısmı, tesis içinde geri dolaştırılır. Uygulamaya "recirculation" denir ve baca gazı hacmini yüzde 20-30 azaltır. Daha az gaz, daha küçük filtre ve daha düşük işletme maliyeti anlamına gelir. Geri dolaştırılan gaz, ateşleme başlığına beslenen yanma havasının bir kısmını da yer. Böylece hem baca yükü hem yakıt tüketimi aynı anda düşer.

Peki bu geri kazanım neden her tesiste aynı oranda kurulmaz? Çünkü ısı geri kazanım sistemi, ek boru, eşanjör ve fan yatırımı ister. Tesisin ömrü, elektrik tarifesi ve karbon maliyeti, yatırımın geri dönüş süresini belirler. Karbon fiyatı olmayan bir ülkede, sistemin kendini ödemesi 8-12 yılı bulabilir. Karbon fiyatı yüksek bir ülkede, aynı yatırım 4-6 yılda kendini kapatır. Aynı mühendislik, farklı bir ekonomik çerçevede farklı bir karara dönüşür.

Piyasa Hafızası - 2019 Brumadinho baraj yıkımı

25 Ocak 2019'da Brezilya'nın Minas Gerais eyaletinde, Vale şirketine ait Córrego do Feijão madeni yakınındaki bir atık barajı çöktü. Barajın ardındaki demir cevheri atığı, tesis ve yerleşim alanlarının üzerine aktı. 270 kişi hayatını kaybetti, ülke tarihinin en büyük madencilik felaketi olarak kayda geçti.

Olay sonrası Brezilya'da onlarca benzer barajın lisansı iptal edildi, üretim kesintileri başladı. Küresel demir cevheri arzı daraldı, fiyatlar birkaç ay içinde ton başına 80 dolardan 120 doların üzerine çıktı. Sinter tesisleri için bu, hammadde maliyetinin doğrudan yükselmesi anlamına geldi.

Ders şudur. Sinter tesisi, tedarik zincirinin en ucundaki bir ara istasyon gibi görünür. Ama hammadde tarafındaki her şok, bu istasyonun girdi maliyetine yansır. Cevher fiyatındaki yüzde 50'lik bir artış, sinter üretim maliyetini doğrudan yukarı çeker.

Küçük Bir Hesap

Temsili bir sinter tesisi için ton başına maliyet dağılımı aşağıdaki gibidir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Tablodaki en büyük kalem, hammadde. Cevher fiyatındaki yüzde 20'lik bir artış, toplam maliyeti yaklaşık yüzde 13 yukarı çeker. Marj, 20 dolardan 1 dolara iner. Tesis kar edemez hale gelir.

Duyarlılık burada düğümlenir. Kok fiyatındaki yüzde 30'luk bir artış, maliyeti yalnızca yüzde 2,5 artırır. Enerji fiyatındaki aynı oranda artış, yüzde 3,7 ekler. Yani sinter tesisinin kaderi, kok veya enerjiden çok cevher fiyatına bağlıdır.

Üç katmanlı okuma

Bir sinter tesisini anlamak için üç katmana bakmak gerekir. İlk katman fizikseldir. Tane boyu, nem, geçirgenlik ve yanma cephesi hızı, tesisin günlük performansını belirler. Katmanda operatörün elindeki tek kaldıraç, karışım oranı ve bant hızıdır.

İkinci katman ekonomiktir. Cevher fiyatı, kok maliyeti ve enerji tarifesi, tesisin karlılığını doğrudan şekillendirir. Katmanda sinter tesisi, hammadde piyasasının bir türevi gibi davranır. Cevherdeki her hareket, buraya gecikmeli yansır.

Üçüncü katman stratejiktir. Sinter tesisi, bir çelik üreticisinin hammadde esnekliğini belirler. Toz cevheri işleyebilen bir tesis, üreticiye pelet veya lump cevhere bağımlılıktan kurtulma imkanı verir. Esneklik, tedarik şoklarında ayakta kalmanın anahtarıdır.

Sinter, görünmeyen bir ara istasyondur. Ama çeliğin maliyeti, tam da bu istasyonda belirlenir.