Çelik üreten bir endüstri tesisinin termoekonomik optimizasyonu

Abstract

ÖZET: Demir-Çelik Üretimi; Ekserji Analizi; Elektrik Ark Ocağı; İkinci Kanun Analizi; Pota Fırını; Termodinamik Analiz; Termoekonomik Optimizasyon; WINQSB. Elektrik ark ocaklarındaki çelik üretiminde, demir cevheri yerine hurda çelik hammadde olarak kullanılır. Hurda, ark ocaklarında eritilerek istenilen kimyasal bileşimde çelik elde edilir. Bu üretim yöntemindeki en önemli üretim aşaması, elektrik ark ocağıdır. Türkiye'de ve dünyada, ark ocaklarıyla üretilen ham çelik miktarının, gün geçtikçe arttığı görülmektedir. Bu artıştaki en önemli etkenlerin başında ark ocaklarında yaratılan ton kapasite başına yatırım tutarının, entegre tesislere göre daha düşük seviyede bulunması geliyor. Bunun yanı sıra ark ocaklı tesislerde yatırım süresinin kısa olması ve ekonomik üretim ölçeğinin düşük olması da önemli etkenlerdir. Ayrıca entegre tesislere göre ark ocaklı tesisler üretimde esneklik de sağlar. Türkiye'de bugün yıllık kapasiteleri 400 bin ile iki milyon ton arasında değişen 16 elektrik ark ocağının toplam demir-çelik üretimindeki payı %70'dir. Genel olarak bir ark ocağı ile çelik üretiminde meydana gelen temel imalat; Hurda Yüklenmesi, Ergitme, Kaynatma, İşleme, Alaşımlaşma, Oksijen Uzaklaştırma, Döküm Elde Etme, Ocağın Hazırlanması şeklinde tarif edilebilir. İstenilen bir bileşimdeki çeliğin imalatı ve yüksek sıcaklıktaki bileşikler veya elementler arasında değişik hızlarda ortaya çıkan bir çok kimyasal reaksiyonlardan sonra ve bazı elementlerin istenilen ölçülere getirilmesi gerçekleştirilir. Bazı ihtiyaç duyulan elementlerin de alaşım maddeleri ilavesi ile bileşimde yer almaları sonucunda, çeliğe lazım olan özellikler kazandırılan bir süreç sonunda istenilen gerçekleştirilir. Türkiye'nin en büyük kaliteli çelik üreticisi olan Asil Çelik, satış performansını her geçen yıl artırmaya devam etmektedir. Kaliteli çelik sektöründe, Türkiye üretiminin % 65 'i, ihracatının % 70 'i Asil Çelik tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmada, alaşımlı çelik üretiminde ülkemizde önemli bir yere sahip olan Asil Çelik A.Ş.'de faaliyette bulunan 55 Ton/Döküm kapasiteli Elektrik Ark Ocağı ile Fabrikada LF (Ladle Furnace) tesisi diye tarif edilen LF tesisinde bulunan ve içerisinde çeşitli metalürjik işlemlerin yapıldığı Potada ortaya çıkan temel kimyasal reaksiyonlar değişik literatürden ve Firmadaki çeşitli imalat bölümleri tarafından ortaya konan üretim kartları üstünde yapılan çalışmalar neticesinde ortaya çıkarılmıştır. EAO ve LF tesisi birlikte düşünülerek reaksiyon ekserji değerlerinin fiyata dahil edilmesiyle fonksiyonlar oluşturulmuştur. Bu amaca göre çeşitli çelik türlerine göre oluşturulan kısıt fonksiyonlarının WINQSB 'de çözülmesi sonucu çelik türleri için hangi optimum şarj değerlerinin gerekli olduğu bulunmuş, Termoekonomik Optimizasyon ve Ekserjetik fiyat analizleri yapılmıştır.

THERMOECONOMICAL OPTIMIZATION OF AN INDUSTRIAL STEEL PRODUCTION PLANT SUMMARY Key Words: Electric Arc Furnace; Exergy Analysis; Iron and Steel Production; Ladle Furnace; Second Law Analysis; Thermodynamical Analysis; Thermoeconomical Optimization; WINQSB. In arc furnaces, the raw material used for the production of steel is steel scrap rather than iron ore. Scrap is firstly melted in these furnaces and then steel of the desired chemical composition is obtained. The most important phase of this process involves the electric arc furnace. The volume of raw steel produced in such furnaces in Turkey is increasing by the day. The most important reason for this being that the investment required for each ton öf production capacity involved in this method is much lower than that required by integrated production facilities. In addition to this, other motives involve- a shorter investment period and economies of scale. Last but not least, facilities based on arc furnaces are much more flexible in their production than integrated facilities are. Nowadays, the share of the 16 available electric arc furnaces, capacities of which vary between a yearly 400,000 and 2 million tons amounts to a total of 70% of total production in Turkey. The Steel production process at Asil Çelik Inc. is given step-by-step in the following: Scrap Charge, Melting, Oxidation, Reduction, Alloying, Deoxidization, Casting, Preparation of Arc Furnace and Secondary Metallurgical Processing in Ladle Furnace. In this study, optimization, mass and energy analyses are applied to the production of steel process in the electric arc furnace and ladle furnace. The scrap pre-heating system, stack gas and cooling water leaving the furnace are investigated, and the obtained results are compared with experimental ones. Analysis of the second law of thermodynamics is applied to the ladle furnace in an important alloyed and special steel production company in Turkey. Taking liquid steel and stack gas temperatures and production time of liquid steel in the ladle furnace into consideration, actual work, irreversibility and exergy efficiency have been calculated. In general, exergy efficiency is found to be 50%. Irreversibility's which cause the significant production costs are investigated in detail. According to this, it is of major importance to define an efficient strategy suitable for the optimization of this industry plants. Therefore, there are some researches which aim to simulate cycles and to perform thermal and Thermoeconomic optimization. xix