Çelik, demir ve karbon alaşımından elde edilen önemli bir malzemedir. Çelik üretimi, ham demirden çeşitli elementlerin ayrılması ve istenilen özelliklere sahip bir alaşım elde edilmesi sürecini içerir. Bu süreç, oksidasyon ve redüksiyon gibi kimyasal reaksiyonlarla başlar ve çelik üretim yöntemlerine göre farklı aşamalara ayrılır. Çelik üretiminde en temel amaç, karbon ve diğer elementlerin istenilen seviyelere indirilmesi, alaşımın saflaştırılması ve yüksek kaliteli çelik elde edilmesidir.
Oksidasyon ve Redüksiyon Yöntemleri
Ham demir üretimi, karbon ve diğer elementlerin bulunma oranlarının yüksek olduğu bir süreci kapsar. Bu aşamada, oksidasyon reaksiyonu önemli bir rol oynar. Oksidasyon, eriyik demir içinde bulunan elementlerin oksijenle birleşerek ayrılmasını sağlar. Bu süreç, örneğin karbonun oksijenle birleşerek karbondioksit (CO₂) oluşturmasına yol açar. Bu reaksiyon sayesinde ham demirden karbon ve diğer elementler ayrılır ve saf demir elde edilir. Bu işlem “redüksiyon” olarak adlandırılır. Redüksiyon sürecinin amacı, ham demirdeki fazla elementleri çıkartarak istenilen alaşım özelliklerini elde etmektir. Çelik üretiminde kullanılan başlıca redüksiyon yöntemleri arasında Bessemer, Siemens-Martin ve elektrikli ocak yöntemleri yer alır.
Çelik Üretim Yöntemleri
Çelik üretiminde farklı yöntemler kullanılarak çeliğin kalitesi ve maliyetleri üzerinde farklı etkiler yaratılabilir. Bessemer Yöntemi fırın içi silikatlı tuğlalarla örülür ve asidik bazlı çelik üretir. Bu yöntemde, oksijen, ham demirle etkileşerek istenmeyen elementleri uzaklaştırır. Siemens-Martin Yöntemi ise dolomit tuğlalarıyla örülmüş fırınlar kullanılarak bazik bazlı çelik üretir. Elektrikli ocaklar, özellikle yüksek kaliteli ve alaşımlı çeliklerin üretiminde kullanılır. Bu yöntem, çeliği daha saf ve homojen hale getirirken maliyet açısından daha pahalıdır. Ancak, elektrikli ocaklar sayesinde çok kaliteli çelikler üretilir ve bu çelikler daha sonrasında şekillendirilip kullanıma sunulabilir.
Çelik üretimi sırasında, oksijen tam olarak kullanılmaz ve bir kısmı çeliğin içinde demiroksit (FeO) olarak kalır. Demiroksitin uzaklaştırılması, çeliğin kalitesini artıran önemli bir adımdır. Bu işlem başarıyla tamamlandığında elde edilen çelik “dinlendirilmiş” olarak adlandırılır. Eğer oksijenin çoğu çelik içinde kalırsa, çelik “dinlendirilmemiş” olarak kabul edilir ve daha düşük kaliteli olabilir.
Vakum Çeliği ve Yeniden Ergitme Yöntemleri
Çelik üretiminde içindeki gazlardan arındırılması gereken önemli bir adım daha vardır: vakum çeliği. Çelik dökümü sırasında, sıvı çelikte küçük gaz boşlukları oluşabilir. Bu gazlar, özellikle hidrojen gibi istenmeyen maddeler, çeliğin kalitesini olumsuz yönde etkileyebilir. Vakum ortamında döküm, çelikteki bu gazları çeker ve çeliğin kalitesini artırır. Ayrıca, vakum altında çelik, yüksek kaliteli ve istenilen mekanik özelliklere sahip hale gelir.
Çelik kalitesini artırmak için kullanılan diğer bir yöntem de yeniden ergitme işlemidir. Bu işlemde, çelik bloğunun kendisi elektrot olarak kullanılır. Elektrotlardan geçen elektrik akımı, çeliği yeniden ısıtarak içindeki hava kabarcıklarının yukarı çıkmasına neden olur. Bu işlem sırasında, çelik sıvı haldeyken kokillere dökülerek istenilen özellikteki çelik üretilir. Kokillere dökülen çeliğe “ingot” adı verilir. Bu ingotlar daha sonra çelik kütüklerine dönüştürülerek çeşitli şekillerde kullanılabilir.
Isıl İşlem ve Çelik Özellikleri
Çelik üretiminden sonra, çelik çeşitli ısıl işlemler ile işlenir. Isıl işlemler, çeliğin mekanik özelliklerini iyileştiren ve malzemenin işlenme kabiliyetini artıran önemli bir adımdır. Bu işlemler sayesinde çeliğin akma sınırı, kopma sınırı, sertlik ve tokluk gibi özellikleri değiştirilebilir. Çelik üretiminin bir diğer önemli amacı, gerilme ve deformasyonları gidermek ve malzemenin daha sağlam hale gelmesini sağlamaktır. Isıl işlemlerle birlikte, çeliğin şekillendirilmesi de daha kolay hale gelir.
Çeliklerin kalite seviyesi; üretim yöntemine, karışımdaki alaşım elementlerinin türüne ve miktarına, işleme tekniklerine ve ısıl işlemlerin türüne bağlı olarak değişir. Çelikler genel olarak karbonlu çelikler ve alaşımlı çelikler olmak üzere iki gruba ayrılır. Alaşımlı çeliklerde, çeliğe özellik kazandırmak için farklı elementler eklenir. Bu elementler, çeliğin dayanıklılığını, sertliğini ve diğer mekanik özelliklerini geliştirir.
Dökme Demir ve Çelik Çeşitleri
Çelikten farklı olarak, dökme demir Fe-C alaşımının karbon miktarı %2,06’dan fazla olan türüdür. Dökme demir, karbonun sementit veya grafit halinde bulunmasıyla karakterizedir. Dökme demir genellikle gevrek ve kırılgan olup, dövülerek işlenmesi zordur. Bunun yerine döküm yöntemi veya talaşlı işlemlerle şekillendirilir. Dökme demir çeşitleri arasında kır dökme demir, sfero dökme demir, temper dökme demir ve beyaz dökme demir yer alır.
Perlit, çeliğin özel bir yapısıdır ve %0,8 karbonlu demirden oluşur. Bu yapı, ferrit ve sementit arasındaki bir karışımdır ve sertlik ile dayanıklılık açısından önemlidir. Çeliklerin mekanik özelliklerini değiştiren bir diğer yapı ise ledébürittir. Ledébürit, %4,3 karbon içeren bir alaşımdır ve çok sert bir yapıya sahiptir.
Çelik Üretiminde Karbonun Rolü ve Çelik Sınıflandırması
Karbon içeriği, çeliğin özellikleri üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Çelik üretiminde karbon oranı arttıkça sertlik ve dayanıklılık artarken, malzeme kırılgan hale gelebilir. Çelik sınıflandırmasında, karbon oranına göre farklı türler ve alt sınıflar oluşturulur. Karbon oranı %0,2 ile %1,7 arasında olan çelikler karbon çelikleri olarak adlandırılırken, karbon oranı daha yüksek olan ve çeşitli alaşım elementleri içeren çelikler alaşımlı çelikler olarak bilinir.
Çelik üretiminde kullanılan her bir yöntem ve işlem, çeliğin nihai kalitesini belirler ve bu süreçlerin doğru uygulanması, yüksek performanslı ve dayanıklı malzemelerin elde edilmesini sağlar.