çelik

yaklaşık yüzde 0,03 ile yüzde 2 arasında değişen oranlarda karbon içeren demir-karbon alaşımı. Temel olarak pik demirin, yansımalı (Siemens-Martin) fırınlarda ya da elektrik fırınlarında arıtıldıktan sonra, istenen özellikleri kazandırmaya yönelik ek arıtma işlemlerinden geçirilmesi yoluyla elde edilir. Günümüzde modern binaların ve köprülerin, otomobillerin ve öteki taşıtların, uzay araçlarının, makinelerin ve ev gereçlerinin yapımında kullanılan başlıca malzemedir.

Çelik üretiminin gelişimi.

19. yüzyılın ortalarında hızla sanayileşen Batı Avrupa ülkelerinde ve ABD’de yaygınlaşan demiryolu, gemi, makine yapımcılığı ve inşaat sektörü, demire ve çeliğe olan talebi de aynı oranda artırdı. Savaşlar ve bu arada ilerleyen askeri teknoloji de bu talep genişlemesine katkıda bulunuyordu.

1850’lerde yüksek fırınlarda yeterince bol miktarlarda sıvı pik demir üretilebiliyordu, ama dövme demir ve çelik üretiminde kullanılan puddle (pik demiri dövme demire dönüştürmekte kullanılan işlem) fırınlarında ve potalarda, bir defada birkaç yüz kilogramın üstünde ürün elde edilemiyordu. Bir yandan da dövme demire ve çeliğe talebin artması, yeni üretim tekniklerinin geliştirilmesine yol açtı.
1846’da ABD’deki Kentucky’de William Kelly, katışık sıvı demiri soğuk hava üfleyerek çeliğe dönüştürmeyi başardı. İngiltere’de ise Henry Bessemer, 1856’da benzer bir çabayla, kendi adıyla anılan işlemi geliştirdi (bak. Bessemer işlemi). Başlangıçta, Bessemer ve Kelly’nin geliştirdikleri bu yöntemle, İngiltere’de ve ABD’de üretilen sıvı ham demirden kaliteli çelik elde etmek pek olanaklı değildi. Ama bir süre sonra, dönüştürücülerde (konverter) hava üflenen metale manganez eklendiğinde, daha yoğun ve çatlamadan kolayca dövme ve haddeleme işlemlerinden geçirilebilen çelik külçeleri (ingot) elde edilebileceği bulundu.
1856’da Alman bilim adamları Friedrich ve William Siemens, fırına üflenen havanın ısıtılmasına ve böylece fırın sıcaklığının çok yükseklere çıkarılmasına yönelik bir teknik geliştirdiler. Bu teknikte, ateş tuğlasıyla örülen bir oda, fırından gelen sıcak gazlarla ısıtılıyor, ardından yakım havası odaya alınarak burada bir süre aynı ısıtma işleminden geçiriliyordu.
1858’de Siemens kardeşler, iki ısıtma odalı ve oldukça sığ gövdeli bir çelik eritme ve arıtma fırınının patentini aldılar. Siemens fırınında katı yakıt bir ızgarada yakılıyordu, ama gazları fırının bir ucundan yanma odasına ve sıcak havayı da öteki uçtaki ızgaraya taşıyan kanal donanımı son derece karmaşık ve yetersizdi.
1864’te Fransa’da Pierre ve Emile Martin, gazla yakılan ve fırının her iki yanında ikişer tane Siemens ısıtma odası bulunan bir fırın geliştirdiler. Siemens-Martin fırını ya da yansımalı fırın olarak adlandırılan bu fırınlarda, hurda metali eritmek için yeterli sıcaklık düzeylerine ulaşma olanağı elde edildi. Püskürtülen havanın ısıtılması yöntemi daha sonraları pota işlemine de uygulandı.
Avrupa’da ve İngiltere’de çıkartılan cevherler yüksek oranlarda fosfor içerdiğinden, bu cevherlerden elde edilen yüzde 1 fosforlu pik demirle, Bessemer işlemiyle ya da Siemens-Martin fırınlarında çelik üretmek olanaklı olmuyordu.
1876’da İngiltere’de Thomas ve Percy Gilchrist, Bessemer dönüştürücüsünün içini silisli tuğlamsılar yerine kireçli tuğlamsılarla ördüler; böylece oluşan yüksek kireç içerikli cüruf, metal eriyikteki fosforu soğuruyordu. Kısa bir süre sonra yansımalı fırınlar da, silisli tuğlamsılar yerine magnezyum oksitli ya da kireçli tuğlamsılarla astarlanmaya başladı ve böylece bazik yansımalı fırınlar ortaya çıktı.
Elektrik üreteçlerinin (dinamo) geliştirilmesiyle, çelik üretiminde elektrik enerjisinden yararlanma sorunu gündeme geldi.
1899’da Fransa’da P.L.T. Heroult, ilk elektrik fırınını yaptı. Daha sonraları Heroult’un tasarımına dayalı olarak geliştirilen elektrik ark ocaklarıyla, ancak potalarda elde edilebilen yüksek kaliteli özel ve alaşımlı çelikleri sanayi çapında üretmek olanaklı duruma geldi.

1870-1950 arasında, dünyadaki çelik üretimi hızla yaygınlaştı ve arttı.
1910’larda asidik Bessemer işlemi yerini giderek bazik yansımalı fırın işlemine bıraktı ve bu arada yataklar gibi çeşitli parçaların ve tezgâh takımlarının yapımında kullanılan özel çelikler, asidik yansımalı fırınlarda üretilmeye başladı. Bazik Bessemer işlemi ise uzun süre Avrupa’da, çeşitli düşük tenörlü cevherlerden üretilen pik demirin arıtılmasında kullanıldı.
1920’lerde, alaşımlı çelikler temel olarak elektrik ark ocaklarında üretilir oldu ve pota işlemi giderek kullanılmaz duruma geldi. Dövme demir üretimi sürmekle birlikte, çeliğin giderek daha yaygın olarak kullanılır duruma gelmesiyle gerilemeye başladı. 20. yüzyılın başında çelik üretimi yöntemlerinde ortaya çıkan başlıca gelişme, yüksek fırınların ve yansımalı fırınların kapasitelerinin ve üretim birimlerinin artırılması oldu. 1950’de büyük bir yüksek fırında günde 1.500-1.800 ton, büyük bir yansımalı fırında da 8-10 saatte 400 ton çelik üretilebiliyordu. Ayrıca üretilen çelik türleri de çeşitlendi, bu arada paslanmaz çelik gibi çeşitli alaşımlı çeliklerin kullanımı yaygınlaştı.
II. Dünya Savaşı çeliğe olan talebi daha da artırdı; ayrıca, birçok ülkede çelik üretim tesislerinin tahrip olması ve savaş sonrasında ortaya çıkan yeni ekonomik düzenler bu talep artışını hızlandırdı. Ne var ki, yüksek fırınlarda hiçbir ön işleme gerek duyulmaksızın kullanılabilecek yüksek demir tenörlü cevherlerin çıkarıldığı madenler de kurumaya yüz tutmuştu. Böylece, düşük tenörlü cevherlerden yüksek tenörlü derişkiler (konsantre) hazırlama sorunu gündeme geldi. Bunun yanı sıra, yakım havasının basıncı ve sıcaklığı artırıldı, hava yakıtla birlikte üflenmeye başladı ve yakım havası oksijenle zenginleştirildi. Çeşitli mekanik geliştirmeler de üretim kapasitesinin artırılmasına katkıda bulundu.
Bessemer’in buluşundan beri metalurjistler, pik demirin çeliğe dönüştürülmesinde hava yerine doğrudan oksijen kullanmayı amaçlamışlardı. Gerçi 1889’da ayrımsal damıtma yoluyla oksijen elde etmek olanaklı duruma gelmişti, ama işlemin maliyeti çelik sanayisine uygulanamayacak kadar yüksekti. Oksijenin sanayi çapında üretimi II. Dünya Savaşı öncesinde, havadan oksijen elde etme tekniğinin bulunmasıyla birlikte yaygınlaştı. Savaştan hemen sonra da Almanya, İsviçre, İngiltere, İsveç ve ABD’ deki çelik üretiminde oksijen kullanımı başladı. Bu amaçla geliştirilen bazik oksijen işleminde (LD işlemi), saf oksijen mızrak biçimindeki ve suyla soğutulan bir boru içinden sesüstü bir hızda, pik ve hurda demir karışımından oluşan eriyiğin üzerine püskürtülüyordu. Böylece bu fırınlarda, bazik yansımalı fırınlarda elde edilen kalitede karbon çeliği üretilir oldu.
Çeliğin sanayi çapında üretiminin başlamasından beri yapımcılar, doğrudan ve dolaylı indirgeme yöntemlerinin üstünlüklerini tartışmışlardı. Dolaylı indirgeme süreci, yüksek fırında görece katışkılı ham demir üretilmesi ve sıvı haldeki ürünün, çeşitli çelik yapım yöntemlerinden (Bessemer, bazik yansımalı ya da bazik oksijen) biriyle arıtılması işlemlerinden oluşur. Dolaylı indirgeme, bugün dünya çelik üretiminin başlıca yöntemidir; ne var ki, bu işlem için gerekli tesisler büyük yatırımlara gereksinim duyar. Doğrudan indirgemede ise, görece katışkısız demir cevheri, hidrojen, karbon ya da karbon monoksitle katı metal haline indirgenir. Katı metal daha sonra eritilir, alaşımlanır ve işlenmek üzere külçeler halinde dökülür. Yüksek saflık oranında demir cevheri kaynaklarının sınırlı olması uzun süreler bu yöntemin yaygınlaşmasını engellemişti.
Ama 1965’ten sonra, bu türden yeni yatakların bulunması ve indirgenmiş cevheri düşük maliyetle eritebilecek modern yüksek gerilimli ark fırınlarının geliştirilmesiyle birlikte, doğrudan indirgeme işlemi de daha yaygın kullanılır duruma geldi.
Özel nitelikli çelik üretmekte alaşım maddelerinden yararlanma yöntemi,
1861’de, takım çeliği yapımında tungsten kullanımına yönelik bir patentin alınmasıyla başladı.
1870’lerde ABD, İngiltere ve Fransa’da kromlu çelik yapımı yaygınlaştı; bu tür çelikten yapılmış malzemeler ilk olarak ABD’deki St. Louis’de Eads Barajı’nda kullanıldı.
1883’te İngiltere’de Sir Robert Abbott Hadfield, yüzde 12,5 manganez ve yüzde 1,2 karbon içeren çeliğin darbeye ve aşınmaya karşı son derece dayanıklı olduğunu buldu ve bu çelikler, tren tekerleklerinde, demiryolu traverslerinde ve kazı araçlarının kepçelerinde kullanılmaya başladı. 1880’lerin sonlarında, silah, zırh levhası ve mermi yapımında nikelli çelik kullanımı yaygınlaştı. Nikelli çeliklere krom eklenerek çok daha dayanıklı alaşımlar elde edildi ve krom-nikelli çelikler makine parçalarının temel malzemesi durumuna geldi. Tezgâh takımlarında kullanılan ve yüksek sıcaklıklarda keskin ağızlarının kesici özelliğini koruyan hız çelikleri 1900’de ABD’de geliştirildi. Bu çelikler tungsten, krom ve vanadyum içerir. Yüzde 5’in üzerinde krom içeren paslanmaz çelik ise ilk olarak 1912’de İngiltere’de yapıldı. Paslanmaya karşı son derece dirençli olan bu çelikler önce çatal- bıçak yapımında kullanıldı.
1909-12 arasında ise Almanya’da krom-nikelli paslanmaz çelik türü geliştirildi. Bu alaşımlı çeliğin bilinen en elverişli bileşimi, yüzde 18 krom ve yüzde 8 nikel içerir.

Çoğu alaşımlı çelik türleri askeri amaçlara yönelik geliştirilmiş olmakla birlikte, savaş sırasında kaynakların azalması, alaşım maddelerinin daha dikkatli biçimde kullanılmasını zorunlu kıldı. I. Dünya Savaşı sırasında, daha az miktarlarda alaşım maddesi kullanarak, üstün nitelikli yeni alaşımlı çelikler geliştirildi. Benzer bir gelişmenin görüldüğü II. Dünya Savaşı sırasında da borlu özel çelik türü yapıldı. Alaşıma yüzde 0,0005 oranında bor eklendiğinde, dayanım, sertlik ve süneklik özelliklerinde bir değişikliğe yol açmaksızın öteki alaşım maddelerinin miktarı yarı yarıya azaltılabiliyordu. Böylece yüksek nitelikli düşük alaşımlı çelik üretimi çeşitlendi ve hızlandı.

Dünya çelik üretimi.

Çelik üretiminin henüz yaygınlaşmakta olduğu 18. yüzyılın başlarında önde gelen çelik üreticisi ülke İsveç’ti. Sanayi çapında üretimin gelişmesiyle birlikte İngiltere demir ve çelik üretiminde öne geçti ve bu konumunu 19. yüzyılda da sürdürdü. Eski emek-yoğun üretim yöntemleri 1870’ten sonra yerini hızla Bessemer ve yansımalı fırın (Siemens-Martin) yöntemlerine bıraktı. 1875’te İngiltere’nin çelik üretimi 790.000 ton, yani dünya üretiminin yüzde 40’ı iken, 1876’da 4,4 milyon tona yükseldi, ama dünya çelik üretimindeki oranı yüzde 22’ye düştü. ABD’nin çelik ve dövme demir üretimi 1880’de İngiltere’ ninkini geçtiyse de İngiltere’nin üretimi 1900’de 7 milyon, 1950’de 18 milyon, 1960’ta 27 milyon tona yükselerek 1970’te 31 milyon tona ulaştı. 1896-1970 arasında ABD dünyadaki en büyük çelik üreticisiyken 1971’de birinci sırayı SSCB aldı. Bu süre boyunca üretim artışı yansımalı fırın yönteminin yaygınlaşmasından kaynaklanıyordu.

ABD’de 1867’de ilk kez kullanılan asidik Bessemer yöntemiyle 30 bin ton, 1870’te de asidik yansımalı fırın yöntemiyle 1.500 ton çelik üretildi. Aynı yıl 42 bin ton asidik Bessemer çeliği yapıldı ve bu yöntemin çıktısı hızla artarak 1906’da 13,8 milyon tonla en yüksek düzeyine ulaştı. Daha sonra giderek önemi azalan bu yöntemden 1967’de tamamen vazgeçildi. Asidik tuğlamsılar ve cüruf kullanımını gerektiren bazik yansımalı fırın yöntemi, asit dönüştürücüyle rekabet edemediğinden başlangıçta daha yavaş gelişti. 1908’de yansımalı fırın yöntemi üretimde asit Bessemer yöntemini geçti. 1928-61 arasında ABD’de üretilen çeliğin yüzde 85’inden fazlası bu yöntemle üretildi. Bu tarihten sonra bazik oksijen fırınları, yansımalıların yerini almaya başladı.

1955’te Avusturya’da geliştirilen bazik oksijen fırınıyla (LD fırını) üretilen oksijen çeliği üretimi hızla arttı. Bu yöntemle yapılan üretim 1955’te 725 bin tondan 20. yüzyılın sonlarında 70 milyon tona yükseldi.

Almanya’da ise 1900’deki toplam 7,5 milyon ton çelik üretiminin yüzde 65’i bazik Bessemer yöntemiyle, yüzde 31 ’i ise bazik yansımalı fırın yöntemiyle gerçekleştirildi. 1905’te Fransa’daki oranlar ise, yüzde 60 ve yüzde 34’tü, toplam üretim ise 2,5 milyon tondu. Geri kalan bölüm ise asidik yöntemlerle üretiliyordu. Dışardan fosfor oranı düşük cevherlerin getirilmesiyle Avrupa çelik fabrikalarında bazik oksijen fırını ve kaldo işleminin kullanımı giderek attı.

Eski SSCB’de çelik yapımında kullanılan başlıca yöntem bugün de bazik yansımalı fırın işlemidir. II. Dünya Savaşı’nda çelik yapım tesisleri hemen hemen tümüyle tahrip olan Japonya’da karbon çeliklerinin tamamı bazik oksijen işlemiyle üretilir. Alaşımlı çeliklerin ve paslanmaz çeliklerin üretiminde de ark fırını kullanılır. Dünyadaki üretimin hemen hemen tümünde asidik yöntemler yerini bazik yansımalı fırın, bazik Bessemer, bazik oksijen yöntemi ve bazik ark fırını gibi bazik yöntemlere bırakmıştır. I. ve II. Dünya savaşları sonrasındaki ve 1929 Büyük Bunalım dönemindeki kısa aralıklar dışında dünya demir ve çelik üretimi sürekli arttı; 1970 sonları ve 1980 başlarında ise talep azalması nedeniyle durgunlaştı.

II. Dünya SavaşTndan hemen sonraki yıllarda ABD en büyük çelik ihracatçısıydı. Daha sonra öteki sanayileşmiş ülkelerin üretim kapasitesi çok artarak bu durumu değiştirdi. Geçmişte başlıca çelik üretici ülkeler daima geri kalmış ülkelere çelik ürünleri ihraç etmişlerse de zamanla birçok küçük ülke hurda demir, çelik ve yerel maden cevherlerini ergitebilen ark fırınları kullanan küçük çelik fabrikaları kurmaya başladı.

1990’da dünya ham çelik üretimi 770 milyon ton olarak gerçekleşti. Bu üretimde birinci sırayı 154 milyon tonla SSCB, ikinci sırayı 110 milyon tonla Japonya, üçüncü sırayı 88,6 milyon tonla ABD ve dördüjıcü sırayı 67,2 milyon tonla Çin aldı.

Türkiye çelik üretiminde yılda yaklaşık 4 milyon ton kapasiteyle kamu işletmeleri başı çekmektedir. 1986-87 döneminde özel sektör işletmelerinde de yaklaşık 2 milyon ton çelik üretilmiştir. 1990’da ise toplam ham çelik üretimi 9,2 milyon tona ulaşmıştır. Çelik üreten başlıca dört büyük kamu kuruluşundan Karabük, Ereğli ve İskenderun Demir-Çelik fabrikaları piyasa ihtiyacını karşılamak amacıyla, Kırıkkale Demir- Çelik Fabrikası da askeri amaçlar için kurulmuştur. Kamu kesimindeki bütün fabrikalar yansımalı fırın yöntemiyle çelik üretirler. Özel sektör çelik üretiminde genellikle ark fırını kullanır, ancak Bessemer yöntemi kullanan işletmeler de vardır.