Derin Okuma — Top Submerged Lance

Cürufun içine dalan boru

Avustralya'nın kuzeybatısındaki Kalgoorlie izabe tesisinde, 1970'lerin sonunda bir mühendis ekibi, erimiş cüruf havuzunun içine daldırılmış çelik bir borudan aşağıya doğru gaz üflüyordu. O güne kadar metalurji dünyası, oksijeni ya fırının tepesinden ya da yan taraftaki tüyerlerden üflerdi. Boruyu cürufun içine sokmak, o dönemin mühendislik sezgisine aykırıydı. Erimiş metal sıcaklığı 1.200 santigrat dereceyi aşıyordu ve çelik borunun birkaç saniye içinde erimesi beklenirdi.

Boru neden erimiyor

Borunun erimemesinin sırrı, üzerinden geçen gazın kendisinde saklı. Borunun içinden saniyede 100-150 metre hızla geçen hava veya oksijen, çeliğin yüzeyini sürekli soğutuyor. Aynı prensiple çalışan bir benzetme ararsan, su dolu bir kağıt bardağı ateşe tutup su kaynayana kadar yakmamak gibi düşün. Kağıt, su soğuttuğu sürece yanmaz. TSL'de de boru, içinden geçen gazın taşıdığı ısı emme kapasitesi sayesinde cüruf sıcaklığında erimeden çalışır.

Boru ucundan çıkan gaz, cürufun içinde kabarcıklar oluşturur. Kabarcıklar yüzeye çıkarken cürufu şiddetle karıştırır. Karıştırma, reaksiyon yüzeyini binlerce kat artırır. Klasik fırınlarda bir metal damlası cürufla saniyeler boyunca temas ederken, TSL'de bu temas süresi ve yüzey alanı tamamen farklı bir ölçeğe taşınır.

Lance'ın soğutma mekanizması, tek bir fiziksel olguya dayanmaz. Boru dış yüzeyinde ince bir donmuş cüruf kabuğu oluşur. Kabuk, "donmuş hattı" denen bir yalıtım katmanı görevi görür. İçerideki gaz akışı bu kabuğu sürekli dengede tutar. Gaz hızı düşerse kabuk kalınlaşır ve reaksiyon bölgesi daralır. Gaz hızı aşırı artarsa kabuk erir ve çelik doğrudan cürufa maruz kalır. Operatörün işi, bu iki uç arasındaki dar bantta kalmaktır.

Kabuğun kalınlığı milimetre ölçeğinde oynar. Tipik bir denge noktasında donmuş hattı 2-5 milimetre arasında kalır. Kabuk 10 milimetreyi aştığında kabarcık çapı küçülür ve karıştırma enerjisi düşer. Kabuk tamamen eridiğinde ise boru duvarı doğrudan 1.250 santigrat derecelik cürufa değer ve aşınma hızı saatlik milimetreye çıkar. O yüzden operatörler, gaz debisini dakika ölçeğinde izler. Debi düşüşü, genelde nozul tıkanmasının ilk işaretidir.

Boru malzemesi de sıradan çelik değildir. Yüksek sıcaklıkta oksitlenmeye dirençli, nikel-krom alaşımları kullanılır. Boru ucunda genelde değiştirilebilir bir nozul bulunur. Nozul çapı 40-80 milimetre arasında seçilir. Çap küçüldükçe gaz hızı artar ama tıkanma riski yükselir. Çap büyüdükçe karıştırma zayıflar. Seçim, tesisin beslediği konsantrenin tane boyutuna göre yapılır.

Tane boyutu dağılımı, nozul seçiminin gizli değişkenidir. Besleme 100 mikronun altına öğütülmüşse ince nozul yeterlidir. İri taneli beslemede 70 milimetre üstü nozul tercih edilir çünkü iri taneler kabarcık yüzeyinden kopmakta zorlanır. Nozul değişimi, fırını durdurmadan yapılamaz. O yüzden tesis planlaması, nozul ömrünü haftalık bakım takvimine bağlar.

Reaksiyon bölgesi nasıl çalışır

Lance ucunun hemen çevresinde, "reaksiyon bölgesi" denen yoğun bir hacim oluşur. Bölgede sıcaklık, fırının ortalama sıcaklığından 100-200 santigrat derece daha yüksektir. Yerel sıcaklık 1.300-1.400 santigrat dereceye çıkabilir. Aşırı ısı, sülfürlü konsantrelerin oksitlenmesini hızlandırır ve metallerin cüruftan ayrılmasını kolaylaştırır.

Reaksiyon bölgesinin hacmi, fırın hacminin yüzde 5-15'i kadardır. Küçük hacim, tüm fırının işini yapar. Bölge dışında kalan cüruf, neredeyse hareketsiz bir havuz gibi davranır. Karıştırma enerjisi sınırlı bir alanda yoğunlaşır. Verimliliğin sırrı, kimyasal reaksiyonun tüm fırına değil, bu dar hacme sıkıştırılmasıdır.

Lance'ın daldırma derinliği kritik bir parametredir. Tipik olarak cüruf yüzeyinin 200-600 milimetre altına iner. Derinlik arttıkça karıştırma güçlenir ama boru aşınması da hızlanır. Operatörler bu dengeyi sürekli izler. Boru ömrü genelde 1-3 hafta arasında değişir ve planlı duruşlarda değiştirilir.

Daldırma derinliği, fırının ölçeğiyle birlikte büyür. Küçük bir pilot ünitede 150 milimetre yeterliyken, günde 400 ton besleyen bir fırında 500 milimetreye çıkılır. Derinlik arttıkça hidrostatik basınç da artar. Basınç, gazın borudan çıkış hızını yükseltir ve kompresör yükünü büyütür. O yüzden derinlik ayarı, hem metalurjik hem mekanik bir karardır.

Gaz debisi, fırın kapasitesine göre ayarlanır. Küçük bir TSL ünitesinde saatte 5.000-10.000 normal metreküp hava üflenirken, büyük ölçekli bir kurşun izabesinde bu rakam 20.000 normal metreküpü aşabilir. Oksijen zenginleştirmesi yapıldığında debi düşer ama reaksiyon hızı artar.

Debi kontrolü, tesisin en hassas ayar döngüsüdür. Gaz debisi yüzde 10 düşerse reaksiyon bölgesi soğur ve mat oluşumu yavaşlar. Yüzde 10 artış ise sıçramayı büyütür ve fırın duvarına aşınma yükü bindirir. Operatörler bu yüzden debiyi kademeli değiştirir. Bir seferde yüzde 3-5'lik adımlarla, dakikalar boyunca bekleyerek.

Oksijen zenginleştirmesi, TSL ekonomisinin en hassas kaldıraçlarından biridir. Üflenen gazdaki oksijen oranı yüzde 21'den yüzde 30-35 bandına çıkarıldığında, aynı miktarda konsantreyi işlemek için gereken gaz hacmi yarıya yakın düşer. Daha az gaz, daha az ısı kaybı ve daha yüksek baca gazı kükürt dioksit derişimi demektir. Yüksek derişim, kükürt dioksidin sülfürik aside dönüştürülmesini ekonomik kılar. Bu, tek bir ayarın hem enerji hem çevre hem de yan ürün gelirini aynı anda iyileştirdiği nadir durumlardan biridir.

Baca gazı derişimi, asit tesisinin karlılığını belirler. Yüzde 4 kükürt dioksit derişiminde asit üretimi zar zor başabaş noktasına gelir. Yüzde 8-10 bandında ise temas kulesi verimli çalışır ve sülfürik asit yan ürün geliri net akışa katkı yapar. Oksijen zenginleştirmesi, bu eşiği geçmenin en doğrudan yoludur. Bir puanlık derişim artışı, yıllık asit gelirinde milyon dolar ölçeğinde fark yaratır.

Reaksiyon bölgesinin bir sınırı vardır. Aşırı oksijen zenginleştirmesi, bölgede manyetit adı verilen demir oksit fazının oluşumunu tetikler. Manyetit, cürufun viskozitesini artırır. Viskoz cüruf, kabarcıkların yükselmesini zorlaştırır ve karıştırmayı bozar. O yüzden oksijen oranı, cüruf kimyasıyla birlikte ayarlanır. Silika oranı düşük tutulur, kireçtaşı ile baziklik kontrol edilir.

Manyetit oluşumu, eşik davranışı gösterir. Cüruftaki manyetit oranı yüzde 15'i aştığında viskozite hızla yükselir. Eşiğin altında cüruf akışkan kalır, üstünde kabarcıklar hapsolur ve fırın "boğulur". Boğulma, mat ile cürufun ayrılamadığı ve taşma kanalının tıkandığı durumdur. Kurtarma süreci saatler alır. Operatörler bu yüzden manyetit oranını sürekli ölçer ve baziklik oranını 0,8-1,2 bandında tutar.

Besleme ve ürün akışı

TSL fırınına beslenen malzeme genelde üç bileşenden oluşur. Sülfürlü konsantre ana metal kaynağıdır. Flaks olarak silika kumu ve kireçtaşı eklenir. Geri dönüş malzemesi olarak baca tozu ve cüruf yeniden beslenir. Karışım, fırının tepesindeki bir besleme portundan sürekli akıtılır.

Besleme hızı, reaksiyon hızına göre ayarlanır. Hızlı besleme, reaksiyon bölgesini soğutur ve yerel sıcaklığı düşürür. Yavaş besleme ise aşırı ısınmaya ve duvar aşınmasına yol açar. Operatörler beslemeyi, baca gazı sıcaklığına bakarak ayarlar. Gaz sıcaklığı yükseliyorsa besleme artırılır, düşüyorsa azaltılır. Tesis, sürekli bir ısı dengesi oyunu oynar.

Fırın içinde iki ayrı faz oluşur. Altta yoğun metal veya mat fazı birikir. Üstte daha hafif cüruf tabakası yüzer. Cüruf, fırının yan tarafındaki bir kanaldan sürekli taşar. Metal fazı ise periyodik olarak alttaki bir tapadan alınır. Sürekli çalışma modeli, kesikli çalışan eski fırınlara göre enerji verimliliğini belirgin biçimde artırır.

Cüruf tabakasının kalınlığı, fırının termal tamponudur. Tipik kalınlık 400-800 milimetre arasındadır. İnce cüruf, reaksiyon bölgesini yüzeye fazla yaklaştırır ve ısı kaybını artırır. Kalın cüruf, alttaki mat fazını yalıtır ve enerji verimliliğini yükseltir. Ancak aşırı kalın cüruf, taşma kanalının kontrolünü zorlaştırır. Operatörler bu kalınlığı, cüruf tapasının akış hızıyla izler.

Bir TSL fırınının tipik kapasitesi günde 100-500 ton konsantre arasındadır. Kurşun izabesinde bu rakam günde 300 tona kadar çıkar. Bakır izabesinde ise mat üretimi günde 150-400 ton bandında seyreder. Enerji tüketimi ton konsantre başına 400-800 kilovat-saat arasında değişir.

Enerji tüketimi, besleme tenörüyle ters ilişkilidir. Yüksek tenörlü konsantrede ton başına enerji düşer çünkü işlenecek gang miktarı azdır. Düşük tenörlü beslemede enerji ton başına 800 kilovat-saati aşar. O yüzden tesis ekonomisi, hammadde tenörüne doğrudan bağlıdır. Aynı fırın, farklı tenörlerde farklı maliyetlerle çalışır.

Cüruf kaybı, TSL ekonomisinin görünmez kalemidir. Taşan cürufun içinde hala yüzde 0,5-2 arası kurşun veya bakır bulunur. Kayıp, doğrudan gelir kaybıdır. Cüruf soğutulup öğütülür, yeniden flotasyona verilir veya ikinci bir temizleme fırınında işlenir. Temizleme adımı, tesisin toplam verimini yüzde 1-3 puan yukarı çeker. Küçük görünen bu puan, yıllık on binlerce ton metal içeriğine karşılık gelir.

Temizleme fırını, ayrı bir sermaye kalemidir. Kurulum maliyeti ana fırının yüzde 20-30'una denk gelir. Buna rağmen çoğu modern tesis bu adımı kurar çünkü geri kazanılan metal, yatırımın geri dönüşünü 3-5 yıla indirir. Temizleme fırınında cüruf, kok veya doğal gazla indirgenir. İndirgenen metal, ana fırına geri döner.

Baca gazı hattı da üretimin parçasıdır. Fırından çıkan gaz, önce atık ısı kazanından geçer ve buhar üretir. Buhar, tesise elektrik veya proses ısısı sağlar. Ardından gaz, elektrostatik filtrede tozdan arındırılır. Toplanan toz, içindeki metal nedeniyle yeniden beslemeye döner. Son aşamada gaz, kükürt dioksidi sülfürik aside çeviren temas kulesine girer. Bir TSL hattı, tek bir fırından çok, birbirine bağlı beş-altı proses adımından oluşur.

Atık ısı kazanı, tesisin elektrik ihtiyacının yüzde 30-50'sini karşılar. Kazan çıkışında gaz sıcaklığı 350-400 santigrat dereceye düşer. Sıcaklık, elektrostatik filtrenin verimli çalışması için gereken alt sınırdır. Filtre, gazdaki tozun yüzde 99'unu tutar. Tutulan toz, kurşun ve çinko içerdiği için doğrudan satılabilir veya yeniden beslenebilir.

Neden bu kadar geç yayıldı

TSL'nin ilk ticari uygulaması 1970'lerin sonunda Avustralya'da kurşun izabesinde başladı. Ancak yayılması yavaş oldu. Bunun nedeni kısmen patent koruması, kısmen de metalurji sektörünün muhafazakar yapısıydı. Bir izabe tesisi kurmak 200-500 milyon dolar arası yatırım gerektirir ve geri dönüş süresi 10-15 yılı bulur. Ölçekte bir karar, kanıtlanmış teknolojiye yönelir.

Patent duvarı, yayılmayı on yıl kadar geciktirdi. Lisans anlaşmaları pahalıydı ve teknoloji transferi sınırlıydı. 1990'larda patent süreleri dolmaya başlayınca lisanslama kolaylaştı. Çin ve Hindistan'daki tesisler, bu dönemde TSL'ye hızlı geçiş yaptı. Mühendislik bilgisi, patentin koruduğu dönemde az sayıda tesiste birikti. Birikim, patent açıldıktan sonra hızla yayıldı.

1990'lardan itibaren Çin, Hindistan ve Güney Afrika'da yeni izabe kapasitesi kuruldu. Tesislerin çoğu TSL teknolojisini seçti. Nedeni basitti. TSL, tek bir fırında hem oksidasyon hem indirgeme yapabiliyordu. Klasik akımda bu iki işlem ayrı fırınlarda yapılırdı. Tek fırın, hem sermaye maliyetini hem de işletme karmaşıklığını düşürdü.

Tek fırında iki işlem yapmanın bedeli, kontrol karmaşıklığıdır. Oksidasyon ve indirgeme, aynı hacimde farklı oksijen potansiyelleri gerektirir. TSL bunu, lance'ın daldırma derinliğini ve gaz bileşimini zaman içinde değiştirerek çözer. Bir partide oksitleyici, sonraki aşamada indirgeyici koşullar kurulur. Esneklik, tesise farklı konsantre tiplerini aynı fırında işleme imkanı verir. Yüksek tenörlü ve düşük tenörlü hammadde, aynı hatta sırayla beslenebilir.

Mod değişimi, saatler süren bir geçiştir. Oksitleyici moddan indirgeyici moda geçerken gaz bileşimi kademeli değişir. Ani geçiş, reaksiyon bölgesinde sıcaklık şoku yaratır ve boru aşınmasını hızlandırır. Operatörler geçişi 30-60 dakikaya yayar. Esnada besleme hızı düşürülür ve cüruf kimyası yeniden dengelenir. Esnekliğin bedeli, bu geçiş kaybıdır.

Piyasa Hafızası. Mount Isa, 1992

Avustralya'nın Queensland eyaletindeki Mount Isa izabe tesisinde, 1992 yılında TSL teknolojisine geçiş kararı alındı. Tesis, o dönemde dünyanın en büyük kurşun izabe komplekslerinden biriydi ve eski sinter tesisleri çevre mevzuatını karşılamakta zorlanıyordu. Yeni TSL fırını devreye alındığında kurşun üretim verimi belirgin biçimde arttı ve kükürt dioksit emisyonları kontrol altına alındı. Geçiş, Avustralya madencilik sektöründe TSL'nin referans projesi oldu. Sonraki on yılda Güney Afrika, Hindistan ve Çin'deki birçok izabe tesisi aynı yolu izledi. Ders açıktı. Çevre mevzuatı, bazen en güçlü teknoloji itici gücüdür.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, günde 300 ton kurşun konsantresi işleyen temsili bir TSL fırınının yıllık ekonomisini gösterir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Duyarlılık burada başlıyor. Kurşun fiyatı %20 düşerse net nakit akışı 19,9 milyondan 8,8 milyona iner. İzabe verimi %96'dan %92'ye düşerse üretim 2.200 ton azalır ve gelir 4,6 milyon dolar erir. Enerji fiyatı %30 artarsa net akış 5,4 milyon dolar geriler. Üç değişken aynı anda olumsuz hareket ederse tesis zarar bölgesine geçer. TSL'nin ekonomisi, ince marjlı bir denge üzerinde durur.

Tablo, cüruf kaybını ayrı göstermiyor. Oysa taşan cüruftaki yüzde 1'lik metal kaybı, yıllık 550 ton kurşun içeriğine denk gelir. Temsili fiyatla bu, 1,15 milyon dolar eder. Temizleme adımı bu kaybın üçte ikisini geri kazanırsa, net akışa yaklaşık 0,8 milyon dolar eklenir. Küçük bir yüzde, büyük bir tonaja çarpıldığında tablonun alt satırını değiştirir.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, TSL bir fırın değil, bir karıştırma mimarisidir. Değeri borunun kendisinde değil, cüruf içinde yarattığı türbülans ve reaksiyon yüzeyinde saklı. Teknolojiyi anlamak isteyen, boruya değil kabarcığa bakmalı.

İkincisi, TSL'nin yayılmasını mühendislik değil düzenleme hızlandırdı. Mount Isa örneği, çevre mevzuatının bir metalurji devrimini tetikleyebileceğini gösterir. Teknoloji hazır olsa da talep olmadan yayılmaz.

Üçüncüsü, TSL ekonomisi üç değişkene bağlıdır. Metal fiyatı, izabe verimi ve enerji maliyeti. Üçlüden ikisi aynı anda bozulursa tesis karı erir. İzabe yatırımı, metal fiyat döngüsünün en sert yerinde durur.

Erimiş cürufun içine dalan o boru, kırk yıldır aynı işi yapıyor. Sessizce karıştırıyor, sessizce ayırıyor, sessizce kazandırıyor.