Çelik, %2’den az karbon ve az miktarda manganez, silikon, fosfor, kükürt ve oksijen içeren bir demir ve karbon alaşımıdır. Çeliğin gelişimi, Demir Çağı’nın başlangıcına, yaklaşık olarak 4000 yıl öncesine kadar izlenebilir.
Daha önce en çok kullanılan metal olan bronzdan daha sert ve daha güçlü olduğu kanıtlanan demir, silah ve aletlerde bronzun yerini almaya başlamıştı. Bununla birlikte, birkaç bin yıl boyunca, üretilen demirin kalitesi, üretim yöntemlerine olduğu kadar cevher türüne da bağlı olacaktı.
Geleneksel Yöntem
Bu demir üretimi yöntemi, demir oksit bileşiğinden oksijeni ayırma ya da başka bir deyişle, redükleme yoluyla olmaktadır. Dövülmüş demir cevheri, odun yakılarak ısıtılan ocak ya da fırınlara, odun kömürüyle birlikte dolduruldu.
Kömür, havadaki oksijen ile yanarak demir oksit bileşiğinden oksijeni koparmak (redüklemek) için gereken ısı enerjisini ve karbon monoksiti (redükleyici) temin ederken, sıcaklık derecesini de artırmaktaydı.
Sonuç olarak cevher parçacıklarının yüzeyinde demir metali meydana gelir. Ortaya çıkan ürün dövülüp ve tekrar ocağa geri konulur ve bu proses, demir karbon alaşımı gereken özelliğe erişinceye kadar birkaç kez tekrar edilirdi.
Yüksek (Blast) Fırınlar
Yüksek fırın endüstriyel metalleri, genellikle pik demirleri ve ayrıca kurşun veya bakır gibi diğerlerini üretmek için kullanılan bir metalürjik fırın türüdür.
Yüksek fırınlarda sürekli olarak yakıtın (kömür), demir cevherinin ve akının (genellikle kireçtaşı) fırının tepesinden beslenmesi sağlanırken, fırının alt kısmına sıcak bir hava (bazen oksijen zenginleştirmeli) üflenir. Böylece malzeme aşağıya düşerken fırın boyunca kimyasal reaksiyonlar meydana gelir.
Sıcak, karbon monoksit bakımından zengin yanma gazlarının yükselmesiyle temas eden cevherin aşağıya doğru akışı, bir ters akım değişimi ve kimyasal reaksiyon işlemidir. Nihai ürünler olan erimiş metal ve cüruf fazları alttaki kanallardan, atık gazlar ise (baca gazı) yukarıdan yani bacadan çıkar.
Orta Çağ’da Avrupa’da daha yaygın olarak kullanılmaya başlanan bu yüksek fırınların geliştirilmesi, demir üretimini arttırdı. Pik demir, yüksek fırınlardan çıkan erimiş demirdir, ana kanalda ve bitişik kalıplarda soğutulur.
Daha yüksek ısı ile elde edilen bu ürün güçlüdür, ancak daha fazla karbon içermekte ve bu nedenle kırılgan olmaktadır. Bu yüzden üzerinde çalışma ve şekillendirme için ideal olmaktan uzaktır.
Zamanının metalürji uzmanları, demirdeki yüksek karbon içeriğinin kırılganlık probleminin merkezinde bulunduğunun farkına vardılar. Bu yüzden malzemeyi daha işlenebilir hale getirmek için karbon içeriğini azaltmanın çeşitli yöntemlerini araştırmaya başladılar.
“Puddling” Metodu
Pik demir çok fazla serbest karbon içerir ve kırılgandır, kullanılmadan önce, daha dövülebilir bir forma dönüştürülmelidir. Puddling fırınlarda dövme (ferforje – wrought) demir olacak şekilde işlenir. Bu işlemlerde pik demir eritilir, karıştırılır veya çalkalanırken üzerine kuvvetli bir hava akımı yönlendirilir.
Bu, (silikon gibi) çözünmüş safsızlıkların iyice oksitlenmesine neden olur. Çok daha önceden kullanılmasına rağmen 1784 yılında Henry Cort, metodu mükemmelleştirildi ve patentini aldı. Cort, bacaya ayarlı kapak ekleyerek demirin aşırı ısınması ve ‘yanması’ riskini ortadan kaldırmayı başarmıştı.
Cort’un işlemi erimiş pik demiri, yanıcı bir fırında oksitleyici bir atmosferde karıştırmak ve böylece dekarbürleştirmekten ibaretti. İşlem sonrası oluşan macun kıvamındaki demir, 4-5 kg’lık toplar haline getiriliyordu.
Daha sonra bu toplar alınıyor ve bünyede kalmış curufun giderilmesi amacıyla bir çekiçleme işlemine gönderiliyor ve çubuk şekline getiriliyordu.
“Puddling” olarak bilinen ve dökme demiri eritip oksit ortamda cürufundan ayırmaya yarayan bu işlem çok yavaş, yorucu ve verimsizdi. Ancak yine de, 1860’a gelindiğinde, İngiltere’de 3000’den fazla puddling fırını çalışmaya devam ediyordu.
Blister ve Pota Çelik
Bir başka eski çelik formu ise blister çelikti, 17. yüzyılda Almanya ve İngiltere’de üretimine başlamıştı. Sementasyon olarak bilinen bir işlem kullanılarak erimiş pik demirdeki karbon içeriği arttırılarak üretilmiştir. Bu işlemde, dövme demir çubuklar taş kutularda toz kömürle kaplanmış ve ısıtılmıştır.
Yaklaşık bir hafta sonra demir, kömürdeki karbonu emer. Tekrarlanan ısıtma, karbonu daha eşit bir şekilde dağıtır ve sonuç, soğuduktan sonra ortaya çıkan materyal ise blister çeliktir. 1740’lı yıllarda blister çelik üretiminde bir gelişim yaşandı. İngiliz saatçi Benjamin Huntsman, saat yayları için yüksek kaliteli çelik geliştirmeye çalışıyordu.
Yıllarca süren arayışından sonra geliştirdiği yöntem, pota veya döküm çeliği oldu. Pota, eritilmiş çelik veya diğer metalleri eritilirken veya taşınırken tutan kaptır. Kil veya porselen gibi yüksek ısıya dayanıklı malzemelerden yapılmıştır.
Ancak üretim maliyeti nedeniyle hem blister hem de pota çelik yalnızca özel uygulamalarda kullanıldı. Sonuç olarak, puddling fırınlarından elde edilen demir, 19. yüzyılın çoğu döneminde İngiltere’yi sanayileştirmede birincil üretim mateyali olarak kaldı.
Bessemer Süreci ve Modern Çelik Üretimi
Hem Avrupa hem de Amerika’da 19. yüzyıl boyunca demiryollarının büyümesi, hala verimsiz üretim süreçleriyle mücadele eden demir endüstrisi üzerinde büyük bir baskı yarattı. Bu dönemde çelik henüz yapısal bir ürün olarak kendini ispat edememişti, ayrıca üretimi yavaş ve maliyetliydi.
Fakat bu durum, Henry Bessemer’ın karbon içeriğini azaltmak adına erimiş demire oksijen vermek için daha etkili bir yol bulduğu 1856 yılında tamamen değişti. Henry Bessemer, oksijen üflenirken demirin ısıtılabileceği “dönüştürücü” olarak adlandırılan armut biçimli bir kap tasarladı.
Oksijen, erimiş metalden geçerken, karbonla reaksiyona girer, karbondioksit açığa çıkarır ve daha saf bir demir üretir. İşlem hızlı ve ucuzdu, karbon ve silisyumu demirden birkaç dakika içinde uzaklaştırabilmekteydi.
Fakat, işlemin bu yüksek verimliliğinin bir dezavantajı vardı, bu işlemle demirden çok fazla miktarda karbon çıkarılıyordu ve son üründe çok fazla oksijen kalıyordu. Aynı dönemde, İngiliz metalürji uzmanı Robert Mushet, spiegeleisen olarak bilinen bir demir, karbon ve manganez bileşiğini test etmeye başladı.
Manganezin, erimiş demirden oksijeni çıkardığı biliniyordu ve spiegeleisen doğru miktarlarda eklendiğinde, içindeki karbon içeriğinin de yardımıyla Bessemer’in sorunlarına çözüm sağlayacaktı. Bessemer bu materyali büyük başarı ile metoduna eklemeyi başardı.
Ancak, bir problem mevcut kalmıştı, Bessemer, çeliği kırılgan hale getiren zararlı bir kirlilik olan fosforu çıkarmanın bir yolunu bulamamıştı. Bu yüzden, yalnızca İsveç ve Galler’den çıkan doğal olarak fosfor içermeyen demir cevheri kullanılabiliyordu.
1876’da Sidney Gilchrist Thomas, Bessemer sürecine kimyasal olarak temel bir akı, yani kireçtaşı ekleyerek çözüm üretti. Kireçtaşı, fosforu pik demirden cürufun içine çekerek istenmeyen bu elemanın, yani fosforun uzaklaştırılmasını sağlamaktaydı.
Bu yenilik, nihayet, dünyanın herhangi bir yerinden çıkarılan bir demir cevherinin, çelik yapmak için kullanılabileceğini göstermişti. Beklendiği gibi, çelik üretim maliyetleri önemli ölçüde düşmeye başladı.
Çelik ray fiyatları, yeni çelik üretim teknikleri sayesinde dünya çelik endüstrisinin büyümesinin başladığı 1867 ve 1884 yılları arasında %80’den fazla düştü.
Açık Ocak Süreci
1860’lı yıllarda Alman mühendis Karl Wilhelm Siemens, açık ocak sürecini yaratmasıyla çelik üretimini daha da arttırdı. Açık ocak (open heart) süreci büyük sığ fırınlarda pik demirden çelik üretmiştir.
Aşırı karbon ve diğer yabancı maddeleri yakmak için yüksek sıcaklıklar kullanan proses, ocağın altındaki ısıtılmış tuğla odalarına dayanıyordu. Bu rejeneratif fırınlar, fırından çıkan egzoz gazlarını, tuğla odalarında yüksek sıcaklıklar sağlamak için kullanmaktadır.
Bu yöntem, çok daha büyük iktarlarda (bir fırında 50- 100 metrik ton üretilebilir), erimiş çeliğin belirli testlerini yapmaya, belirli özellikleri karşılamaya ve hurda çeliğini hammadde olarak kullanmaya izin verdi. Sürecin kendisi daha yavaş olmasına rağmen, 1900 itibariyle, açık ocak süreci öncelikle Bessemer sürecinin yerini aldı.
Çelik Endüstrisinin Doğuşu
Daha ucuz, daha kaliteli malzeme sağlayan çelik üretimindeki devrim, zamanın birçok iş adamı tarafından bir yatırım fırsatı olarak kabul edildi.
Andrew Carnegie ve Charles Schwab dahil, 19. yüzyılın sonlarındaki kapitalistler, çelik endüstrisine milyonlarca, Carnegie durumunda ise milyarlarca dolar yatırım yaptı. Carnegie’nin 1901’de kurulan ABD Çelik Şirketi, bir milyar dolardan fazla değere sahip ilk şirket oldu.
Elektrikli Ark Ocağı Çelik İmalatı
Yüzyılın başından hemen sonra, çelik üretiminin evrimi üzerinde güçlü bir etkiye sahip olacak başka bir gelişme meydana geldi.
Paul Heroult’un elektrik ark ocağı (EAF),elektrik akımını yüklü bir malzemeden geçirmek üzere tasarlandı, bu şekilde ekzotermik oksidasyona ve 3272°F’ye (1800°C) kadar olan sıcaklıklarda çelik üretimi gerçekleştirmek mümkün oldu.
EAF’ler %100 hurda veya soğuk demirden çelik üretebildiğinden, üretim, birim başına daha az enerji gerekir. Bazik oksijen ocaklarının aksine, operasyonlar durdurulabilir ve düşük maliyetle yeniden başlatılabilir.
Bu nedenlerden dolayı, EAF’ler üzerinden yapılan üretim 50 yıldan fazla bir süredir istikrarlı bir şekilde artmaktadır ve şu anda küresel çelik üretiminin yaklaşık %25’ini oluşturmaktadır.
Oksijen Çelik Üretimi
Günümüzde küresel çelik üretiminin çoğunluğu, yaklaşık %75’i, yüksek (blast) fırın – temel oksijen fırını (BF-BOF) tesislerinde üretilmektedir.
Bazik oksijen fırınları oksijeni büyük miktarlarda erimiş demir ve hurda çeliğine üfler ve bir şarjı (beslemeyi) açık ocak yöntemlerinden çok daha hızlı bir şekilde tamamlayabilir. 350 metrik tona kadar büyük demir gemiler, bir saatten daha kısa sürede çeliğe dönüşebilir.
Bu yöntemler arasındaki temel fark, tükettikleri ham madde türüdür. Çelik üretimi için BF-BOF’de ağırlıklı olarak demir cevheri, kömür ve geri dönüştürülmüş çelik kulanılmaktadır. EAF yönteminde ise esas olarak geri dönüştürülmüş çelik ve elektrik kullanılarak çelik üretmektedir.
Çelik, %100 Geri Dönüştürülebilir
Çelik ürünler, hafif potansiyelleri, dayanıklılıkları ve geri dönüştürülebilirlikleri ile doğal olarak kaynak korumasına katkıda bulunur. Çeliğin %100 geri dönüştürülebilirliği, üretimine yatırılan kaynakların kaybolmamasını ve sınırsızca tekrar kullanılmasını sağlar.
Manyetik özellikleri nedeniyle, çeliklerin atık akışlarından ayrılması kolaydır, yüksek geri kazanım oranları sağlar. Kullandığımız birçok ürün aslında %100’e kadar geri dönüştürülmüş çelikten imal edilmiştir.
Hazırlayan: B. Serhat Cengiz
Kaynaklar
• Barraclough, K. (1990), Steelmaking 1850–1900, Institute of Metals, London.
• Gale, W. K. V. (1969), Iron and Steel, Longmans, London.
• The Making, Shaping, and Treating of Steel: Ironmaking volume (PDF). AISE Steel Foundation. 1999.
• Carr, J. C.; Taplin, W. (1962). History of the British Steel Industry. Harvard University Press Cambridge.
• https://www.thebalance.com/steel-history-2340172
• https://www.worldsteel.org/
