Çelik üretiminin tarihine baktığımızda, MÖ 2000’li yıllara (demir çağı) dayanmaktadır. El aletleri, malzemeleri gibi ekipmanların üretiminde kullanılmaya başlanan çelik, 1600’lü yıllarda demiryollarında kullanılmaktaydı. Çeliğin mevcut özellikleri onu gelişen ihtiyaçlara uygun ürünlerde kullanmaya kırılganlık ve zor şekillenebilirlik gibi sebeplerden ötürü yetmiyordu. 1856 yılında İngiliz araştırmacı Henry Bessamer’in, çeliğin içindeki karbon miktarını azaltacak bir prosesi keşfetmesiyle modern çelik üretiminin temelleri atılmış oldu.
Yıllık üretimi günümüzde yıllık 2 milyar tona yaklaşan çelik, formuna göre yassı mamuller ve uzun mamuller olarak 2 ayrı sınıfta incelenebilir.
Uzun mamuller; inşaat demiri, filmaşin, lama, T ray gibi ürünlerdir. Bunlar, daha çok yapı sektörü, gemi inşaatı, demiryolu ve çelik konstrüksiyon gibi alanlarda kullanılmaktadır.
Yassı mamullerin kullanımı ise daha geniş sektörlere yayılmıştır. Otomotivde aracın gövde ve platform elemanları, beyaz eşya sektöründe şasi ve iç parçalar, ısıtma sektöründe kazan ve radyatörler, asansör sektöründe, yapı sektöründe ve diğer sektörlerde sıklıkla kullanılmaktadır.
Yassı Çelik Üretimi Nasıl Yapılır?
Günümüzde üretilen çeliklerin üretiminin ilk aşaması büyük oranda yüksek fırınlarda (BOF) ya da elektrik ark ocaklarında (EAF) başlar. Cevher ve/veya hurdaların fırınlarda eritilmesinden sonra, çelikhanede talep edilen ürün kalitesine göre alaşımlandırma aşaması olur. İstenilen kimyasal kompozisyon sağlandıktan sonra, sıvı çeliğin katılaşma aşaması olan döküm ya da sürekli döküm adımına geçilir. Burada sıvı çelik, plaka (slab) halini alır. Plaka boyu 6m ile 15 m arasında değişir. Eni, üreticiye göre değişmekle beraber 200mm civarındadır. Yüksekliği de yine üreticiye göre değişmekle birlikte 750mm ile 1500mm arasındadır. Çevremizdeki yassı çeliklere bakarsak, bunların birçoğu 0.2-3mm kalınlığındadır. Yani bu plakalar, sanayinin kullanımına uygun değildir. Bu yüzden bu kalın plakaların bir sonraki prosesi sıcak haddelemedir.
Slab tavlama fırınlarında yaklaşık 1200 °C seviyelerine kadar ısıtılan plakalar, hadde hatlarında merdaneler arasından geçirilerek inceltilir. Hadde öncesi slabın sıcaklığı, çelik tipine göre değişmekle beraber yeniden kristalleşme (rekristalizasyon) sıcaklığının üzerinde olmalıdır (727 °C) bu sayede, çeliğe merdaneler vasıtasıyla verilen enerji, çelik iç yapısının yeniden kristalleşmesi için kullanılır (aksi halde, uygulanan deformasyon çelikte sertleşmeye sebebiyet verir ve hadde tamamlanmadan sertleşme sonucu plaka kopardı. Sıcak hadde sonrası kalınlık 2-6mm seviyelerine iner. Sıcak haddelenmiş çeliğin kullanım alanları, soğuk haddelenmiş çeliğe göre oldukça kısıtlıdır. Süneklik gerektiren yapı uygulamalarında kullanılır.
Bir sonraki aşama soğuk haddelemedir. Bu aşamadaki temel amaçlar; çeliği 0.2mm seviyelerine kadar indirebilmek, yüzey kalitesini arttırabilmek ve mekanik özellikleri iyileştirmek olarak sıralanabilir. Oda sıcaklığındaki sıcak haddelenmiş çelik rulo, yine hadde prosesinden geçirilerek istenilen kalınlık ve yüzey pürüzsüzlüğü elde edilir. Ancak hadde esnasında çeliğe verilen mekanik enerji, bu sefer çelikte dislokasyon oluşumuna sebep olduğu için soğuk hadde sonrası çeliğin sertliği, mukavemeti dolayısıyla kırılganlığı artar. Bu durumda kullanılamayacağı için bir sonraki proses olan ısıl işlem hatlarına geçer.
Isıl işleme geçmeden önce genelde akla gelen sorunun cevabını verelim; Sadece sıcak hadde yapılsa, soğuk haddeleme adımı hiç olmasa nasıl olur? Sıcak haddelemede sıcaklık, yaklaşık 800 ile 1000 °C arasındadır. Bu sıcaklıkta çeliğin mukavemeti hayli düşük olduğu için 2mm’nin altına inildiğinde sac kopmaları yaşanmaktadır. İkinci sebep, düşük yüzey pürüzlülüğünü ve hassas kalınlık toleranslarını sıcak haddeleme ile yakalamak, yüksek sıcaklıklarda pek mümkün değildir. Son olarak, mekanik özellikleri istenilen seviyede ve homojen bir şekilde elde edebilmek için soğuk haddeleme adımı çelik üretiminin önemli bir adımıdır.
Isıl işlem (tavlama) hatlarında çelik rulo açılarak fırına girer. Brülörler yardımıyla çeliğe alev verilerek sıcaklık, rekristalizasyon sıcaklığının hemen üzerine çıkarılır. Bu sayede çelik, iç stresten arındırılır. Akma ve kopma değerleri düşerken, uzama değeri yükselir. Ancak yüzeye püskürtülen alev neticesinde yüzeyde oksit tabaka meydana geldiği için çelik, asit asit hatlarından geçirilerek bu oksit tufal tabakadan arındırılır.
Bu noktada yassı çelik sac artık işlenebilir hale gelmiştir. Korozyon dayanımı için müşteri talebine göre ürün kaplamasız bir şekilde tedarik edilebilir ya da çeşitli alaşımlarla kaplanabilir. Sanayide sıklıkla kullanılan EN10346 standardına göre galvaniz kaplama (Z), çinko-demir kaplama (ZF), çinko-alüminyum kaplama (AZ) ya da alüminyum-silisyum kaplama yapılabilir. Bu kaplamaların ortak özelliği, çelik ile atmosfer arasında bir katman oluşturarak korozyon dayanımını arttırmaktır.
Sanayi Uygulamaları
Sanayinin hızla gelişmesiyle artan hammadde talebinden ötürü çeliğe rağbet, her geçen yıl artmaktadır. Buna karşın, 2021 yılında Pandemi şartlarının sanayiye sıçraması, hurda fiyatlarındaki ve enerji maliyetlerindeki artış sebebiyle çeliğin ton fiyatı önemli seviyede artmıştır. Özellikle otomotiv ve beyaz eşya sektörünün ana girdilerinden olan çeliğin tüketimi yüksek seviyede olduğu için üreticiler, artan hammadde fiyatlarının etkisini azaltabilmek adına çelik sarfiyatını düşürme yönünde çeşitli ARGE faaliyetleri yürütmektedir.
Bir parçanın malzemesini değiştirmeden kalınlığını azaltmak (Örn. 1.2mm’den 1.0mm’ye düşürmek) yüksek adetli üretim yapan otomotiv ya da beyaz eşya sektöründe üreticiye ciddi maliyet avantajı sağlayabilmektedir. Parçanın işlevine göre, tek başına kalınlığın azaltılması teknik açıdan uygun değilse, mukavemeti daha yüksek bir çelik seçilerek kalınlığın azaltılması yine maliyet avantajı oluşturabilmektedir. Ayrıca parçaların tasarımları tekrar gözden geçirilerek optimize edilmesiyle parça miktarının azaltılması da mümkündür. Son olarak, birkaç parçanın ayrı ayrı preste basıldıktan sonra kaynak ile birleştirilen alt parça grupları tekrar tasarlanarak tek bir parça haline getirilip tüketim yine optimize edilebilmektedir. Örneğin, B sınıfı hatchback bir otomobilin gövde ve platformunda toplamda ortalama 700-1000 adet sac parça kullanılmaktadır. Bu açıdan bakıldığında, sanayide bu tip maliyet azaltma çalışmalarının potansiyeli oldukça fazladır. Ayrıca otomotiv sektöründe bu tip çalışmaların çevresel etkisi de göz ardı edilmemelidir. Daha hafif araç, daha az yakıt sarfiyatı anlamına geldiği için üreticilerin bu tip çalışmalarının doğaya karşı olumlu etkisini de belirtmekte fayda var. Evlerde kullanılan beyaz eşyalar, kombiler ve panel radyatörler için de bu tip maliyet azaltma çalışmaları geçerlidir.
Çelik tüketiminin azaltılması, elbette sadece tasarım değişikliği ve kalınlık azaltma çalışmalarıyla yapılmamaktadır. Hammadde olarak alınan çelik ruloların fabrikadaki ilk durağı pres hatlarıdır. Pres esnasında ortaya çıkan hurda miktarlarını azaltabilmek için parçanın açınım sacının boyutunun optimize edilmesi, tek preste 2 ayrı parçanın aynı anda basılması veya nihai parça üzerinde etkisi olmayan ölü bölgelerde boşaltma yapılarak hurdadan kazanılması gibi çeşitli yöntemler mevcuttur.
Özetle, sanayide çelik sac malzemeleri kullanmak kaçınılmazdır ancak sarfiyatı azaltmak mümkündür.
Emeğinize sağlık hocam, çok bilgilendirici bir yazı olmuş. Sizin de bildiğiniz üzere ülkemizde demir-çelik fabrikalarına oldukça önemli bir yatırım var. Ancak bu fabrikalarda çelik kalitesinin ne denli iyi olduğu tartışılır. Bir yazınızda da ülkemiz ve dünya genelindeki çelik üretim sürecine değinirseniz ve kıyas yaparsanız sevinirim.