DÖKÜM ENDÜSTRİSİNDE ERGİTME, ENDÜKSİYON OCAKLARI VE SPEKTRAL ANALİZ HESAPLAMALARI

Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü

E-posta: mcolak@sakarya.edu.tr, Tel: +90 264 2956511

Döküm en genel tanımı ile ergitilmiş sıvı metalin hazırlanan kalıp boşluklarına doldurulması ile gerçekleştirilen üretim yöntemidir. Tanımdan da anlaşılacağı üzere bu yöntemle üretim için öncelikle hurda ve alaşım elementlerinin ergitilmesi gerekmektedir. Ergitme işlemleri için alaşım çeşidine göre katı, sıvı, gaz yakıtlı ve elektrik ile ısıtılan ocaklar kullanılmaktadır. Bu çalışmada metalurji sektöründe yaygınca kullanılan indüksiyon ocakları hakkında bilgi verildikten sonra sıcaklık ölçümü ve kimyasal analiz yöntemlerinden bahsedilecektir. Ayrıca spektrometre ile ara analizi belirlenen numune için ocak içerisine katılması gereken alaşım elementlerinin ilavesi ile ilgili bir uygulama yapılacaktır.

 

Anahtar Kelimeler:Ergime, Endüksiyon Ocakları, Spektral Analiz

Casting is one of the manufacturing processes, which involves filling liquid metal into mould cavities. This process requires melting scraps or alloying elements. There are several types of furnaces such as solid fuel furnace, liquid fuel furnace etc. In this study, information about induction furnaces, which are used widely in foundries, will be given. Temperature measurement and chemical analysis processes will be discussed. Lastly, an example will be done about alloying element addition to a melted metal.

Keywords:Melting, Induction Furnaces, Spectral Analysis

 

Erime iyonlaşarak bir katının sıvı içinde çözünmesi olayıdır. Ergime ise bir maddenin ısıtılması sonucu katı fazdan sıvı faza geçmesi, moleküller arası bağın koparılarak sıvı faza dönüşme olarak tanımlanabilir[1]. Metalürji sektöründe ergitme işlemleri için alaşımın çeşidine göre; katı yakıtlı, sıvı yakıtlı, gaz yakıtlı, elektrik ile ısıtılan ocaklar kullanılmaktadır.

 

Elektrik enerjisinin diğer enerji türlerine kolay çevrilmesi, üretimin kolay olması özellikle de tüketiminde diğer fosil kaynaklı yakıtlar gibi çevreye zarar vermemesi, kontrollü bir düzen olması ve çok çeşitli kaynaklardan elde edilebilmesinden dolayı yaygınca kullanılmaktadır. Rezistans ile ısıtma, iletim ile ısıtma, enfraruj radyasyon ile ısıtma, indüksiyon ile ısıtma, dielektrik histerezis ile ısıtma, plazma ile ısıtma, elektrik arkı ile ısıtma, elektron demeti ile ısıtma, lazer ile ısıtma şekillerinde elektrikle ısıtma sistemleri yapılmaktadır[2].

 

İndüksiyonla ısıtma, metalik iş parçalarını belirtilen sıcaklık ve sürelerde ısıtmakta kullanılan temassız bir ısıtma yöntemidir. Elektrikle çalışan ocakların en önemlisi indüksiyon ocaklarıdır. Denetim kolaylığı, yüksek verimliliği, madde kayıplarının son derece düşük olması tam otomatik üretime uygunluğu ve çevre kirliliği yaratmaması gibi nedenlerden dolayı indüksiyon ocaklarına eğilimi artırmış ve sayısal açıdan diğer tüm ocakların üzerine çıkarmıştır[3,4].

 

Herhangi bir iletken malzeme bir alternatif akım devresinin yanına getirildiğinde, kısmen de olsa ısınabilir. İndüksiyonla ısıtma prensibinde alternatif akımın geçeceği bobin ısıtılacak parçanın etrafını sarmakta, fakat parçaya temas etmemektedir. Bobin içinden geçen alternatif akımın yarattığı manyetik alan içindeki veya yakınındaki metal parçalardan devresini tamamlamaktadır. Akımın yön ve değerindeki değişiklik, manyetik alanda da aynı değişikliği yaratır. Manyetik alandaki değişiklik, parça içinde bir gerilim doğurur. Bu gerilim, parça içinden büyük değerde fukolt akımı dolaştırır. Parça direncinden geçen bu akım parça içinde ısı yaratır. Isıyı indüksiyon akımı meydana getirdiğinden, bu işleme indüksiyonla ısıtma denir[3]. İçerisinde metal ve alaşımlarının ergitildiği bakır bobinlerin, içerisinden geçen suyla soğutulan yüksek ısıya dayanıklı, refrakter malzemelerden oluşmuş hazneye ocak potası denir[4].

 

 

Şekil 1.a) İndüksiyon ocağı görünümü, b) İndüksiyon ocağı kesiti, c) Ocaktaki sıvı metal[4].

İndüksiyonla ısıtmanın aşağıdaki üstünlüklerinden dolayı bu yöntem, metal endüstrisinde çok geniş kullanım alanı bulmuştur.

 

·      Metallerin çabuk ısıtılmasından dolayı oksidasyon ve kabuklaşma olmaz.

·      Alaşımları ergitme esnasında karıştırma kendi kendine olur.

·      Parça yakıt gazları ile kirletilmez.

·      Personel sağlığı ve çevre kirliği açısından diğer ocaklardan daha elverişli bir çalışma ortamı bulunur[3].

 

İndüksiyon ocaklarında ergitme hızlı olduğu için yalnız çabuk oksitlenebilen elementlerde az bir kayıp vardır. Ocak içinde sıvı metal hareketinden dolayı, gayet homojen bir alaşım yapılabilir. Döküm sıcaklığına ulaşılması için metalin ergime sıcaklığından daha yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyulur. Döküm sıcaklıklarında, diğer ocaklarda aşırı oksitlenme olduğu halde indüksiyon ocaklarında çok az oksitlenme meydana gelmektedir. Çünkü döküm sıcaklıkları indüksiyon ocaklarında çok kısa zamanda elde edilebilmektedir. Örneğin, 200-300°C’lik bir fazlalık, 3 ila 6 dakikada elde edilebilir[4].

 

Ergitme işlemi, seçilen hurdaların ocağa doldurulması ile başlar ve primerden geçen yüksek frekanslı akım sekonderde yani şarjda çok daha şiddetli bir indüksiyon akımı oluşturur, şarj bu akıma karşı gösterdiği kendi direnciyle ısınır ve ergir. Sıvı banyosu teşekkül eder etmez şiddetli bir karışma (sıvı hareketi) başlar ve katı durumda olan hurdalar sıvı metal tarafından yalanarak ergime hızlanır. Metal (şarj) tamamen ergiyince oluşan cüruf temizlenir. Metal döküm sıcaklığına çıktıktan sonra akım kesilerek ocak kaldırılır ve sıvı metal potaya alınır. Sıvı metal azar azar potaya alınacaksa akım kesilmeyebilir. Sıvı metal bitince ya ergitmeye devam edilir ya da ocak kapatılır[4].

Metallerin ve alaşımların ergime ve döküm sıcaklıkları farklıdır. Uygun sıcaklıkta ergitme ve döküm yapabilmek için sıvı metal ve alaşımın sıcaklığının bilinmesi gerekir. Bu sıcaklıkları ölçmede kullandığımız cihaza pirometre denir. Pirometreler genel olarak üç gruba ayrılırlar;

·      Daldırmalı pirometreler (Isı elektriksel pirometreler)

·      Optik pirometreler (Lambalı pirometreler)

·      Işınmalı pirometreler (Isı radyasyonlu pirometreler)[5].

Sıvı metal ve alaşımların sıcaklığı hızlı bir şekilde ölçülmektedir. Sınırlı zaman aralığında daldırmalı ölçüm ve sürekli yüzey ısısı ölçümüne uygundur. Her metal için farklı termokopul uçlar kullanılması şartı ile çeliklerin, dökme demirlerin ve demir dışı alaşımların sıcaklık ölçümünde kullanılırlar. Pirometrelerde kullanılan ısıya dayanıklı uca termokopul adı verilir. Ucun yanmasına ya da yuvanın bozulmasına bağlı olmakla beraber, bir termokopulla birden fazla kez ölçüm yapılabilir[5].

 

 

Şekil 2. a) Pirometre, b) Ölçüm sonucu dijital gösterge, c) Termokopul[5].

Saf metallerin dökümü zor ve döküm özellikleri sınırlıdır. Bu yüzden saf metallere çeşitli metal ve ametaller belli oranlarda karıştırılarak alaşımlar elde edilir ve böylece bu alaşımın özelliklerini iyileştirmekle beraber dökümü kolaylaşır. Fakat standartları yakalamak kolay değildir. Standartlara uygun ve istenilen yapıdaki malzemenin oluşumu için ergitmeden önce, ergitme sırasında ve döküm sonrasında ara numunelerle kimyasal analizleri yapılır. Bunlar da kimyasal analiz cihazları (spektrometre) ile yapılabilir. Döküm endüstrisinde kullanılan metal ve alaşımların kimyasal bileşimlerini bilmek için yapılan uygulamalara kimyasal analiz denir. Kimyasal analiz uygulamaları üç yöntemle olmaktadır.

 

·      Katı halde iken her türlü metal ve alaşımın analizleri spektrometre ile yapılmaktadır. 1 dakika içerisinde, %0,1 hassasiyetle birçok elementi aynı anda gösterebilirler. En çok kullanılan yöntem olmakla beraber, cihazları pahalıdır.

·      Karbon-silis analiz cihazı ile yapılmaktadır. Metallerin sıvı halden katı hale geçerken oluşturdukları soğuma eğrilerinden yararlanılır.

·      Demirli alaşımlardan alınan talaşın yakıldığı karbon-kükürt tayin cihazı ile yapılmaktadır. İki elementin analizi dışında kullanılamaz. Sonuçları çok kısa süre içinde verir.

 

Örnek parça alınarak yapılan analiz yönteminde, ocaktan küçük miktarda alınan sıvı önceden hazırlanmış maçalara ya da kokil kalıplara dökülür[5].

 

 

Şekil 3. a) Numune kalıbı, b) Kalıba döküm, c) Kalıbın soğuması,  d) Numune, e) Taşlama[5].

Alınan numunenin spektrometre ile kimyasal analizi yapılır ve sıvı metal istenilen standartlara sahip olup olmadığı kontrol edilir, buna göre gerekiyorsa ilaveler yapılır. İstenen bileşim elde edilinceye kadar ara numune almaya devam edilir. İstenilen standartlara ulaşılınca ocaktan sıvı metal alınarak kalıplara dökülür. İndüksiyon ocağı ile ergitmelerde müdahale olanağı olduğu için bu yöntem çok uygundur[5].

 

 

 

Analiz sonuçlarının doğru ve sağlıklı olabilmesi için örnek parça alma ve hazırlama çok önemlidir. Doğru ve tüm örnek parçayı temsil edecek sonuçların alınabilinmesi için de bu gereklidir. Örnek parça alımında şu konulara dikkat edilmelidir:

·      Örnek parçada çatlak ve kalıntı olmamalıdır.

·      Alınan örnek parça sıvı metalin tamamını temsil etmelidir.

·      Örnek parçanın yapısı homojen olmalıdır.

·      Örnek parça ölçüleri yeterli yakım alınabilecek büyüklükte olmalıdır[5].

Spektrometreler belirli bir referansa göre ölçüm yapan cihazlardır. Analiz anında örnek parça yüzeyinden sadece birkaç miligram buharlaşma ile materyallerin içerisindeki demir, karbon, silisyum, manganez, fosfor, kükürt ve diğer katkı maddelerin analizleri yapılmaktadır. Kısa zamanda ve oldukça hassas yapılan ölçümleri ekranda gösterir, yazıcıda analiz raporunu yazar. Analiz prensibi; spektrometrenin ark odasında elektrik arkı ile elementler atomlara ayrıştırılır. Bu arada oda argon gazı ile doldurulur. Her element farklı şiddette ışın oluşturur. Optik sistemle oluşan ışınlar dalga boylarına ayrılır. Foto tüplerde sinyallerin şiddeti ölçülür. Ölçülen sinyallerin şiddeti numunenin içindeki elementlerin miktarını verir.

 

 

Şekil 4. a) Laboratuar tipi spektrometre[6], b) Portatif tip spektrometre[5].

 

 

 

Şekil 5. Numune tutucu bölge[6]

 

Her örnek parça en az iki noktasından, gerekirse üçüncü bir noktasından analiz edilmelidir. Analiz başlangıcında önce uygun monitör veya anahtar numunesi ile test edilmelidir. Her analiz arasında elektrot fırçası ile elektrot ucu temizlenmelidir. Örnek parça yüzeyi hazırlandıktan sonra yüzeye tozdan, nemden, el ile temastan uzak tutulmalı ve hemen analizi yapılmalıdır. Analiz neticelerinin % olarak elde edilebilmesi için cihazın yapımı sırasında, kullanıcının belirlemiş olduğu malzeme gruplarına göre programlanması (kalibre edilmesi) gerekmektedir. Kullanıcının isteğine göre kalibre edilmiş (programlanmış) spektrometre kullanım için hazır demektir. Bundan sonra yapılacak işlem, hazırlanan örnek parçayı numune odasına yerleştirmek ve start düğmesine basmaktır. Bundan sonraki bütün işlemler tamamen otomatiktir. Analiz neticeleri 15sn. içinde yüzde oranlarıyla birlikte ekranda görülür. Yazıcıdan çıktı alınarak analiz raporu hazırlanmış olur[5].

 

Döküm parçaların özelliklerini geliştirmek, dökümünü kolaylaştırmak için standart olarak bazı döküm alaşımları geliştirilmiştir ve parçaların belli özelliklere sahip olması için kimyasal bileşimin bu standartlara uygun olması gerekmektedir. Bunun için ocak içerisine doldurulacak şarj malzemelerinin bu bileşimi sağlayacak şekilde doldurulması gerekir. Fakat ocak doldurulurken ocak kapasitesi tam olarak doldurulmamalı ve ara analiz sonucu gerekirse ilave edilecek elementler için yer bırakılmalıdır. Örneğin 550 kg kapasiteli bir ocak 500 kg doldurulup geri kalan miktar ara analiz sonucuna göre ilave edilmesi daha doğrudur. Ayrıca ocak doldurulurken mümkün olduğunca istenen bileşime yakın değerde ekonomik hurda malzemeleri kullanılmalıdır. Böylece arada fark elementleri çok fazla olmasın ve küçük ilavelerle hedef bileşime ulaşılabilsin. Örneğin sade karbonlu çelik bir malzemenin dökümü yapılacağı zaman ocak ilk etapta kimyasal bileşimi bilinen DKP hurdası ile doldurulabilir.

 

Ocaktan şarj malzemeleri tamamen ergiyip istenen sıcaklığa ulaştıktan sonra analiz için bir numune alınır ve numunenin kimyasal bileşiminin belirlenmesi için spektrometrede kimyasal analizi yapılır. Analiz sonucu bileşim değerleri uygunsa ocak ilk katılan alaşımlara uygun oranlarda ya da istenen bileşimine sahip yolluk ve besleyici döngüleri ile şarj edilerek doldurulur. İstenen değer aralığında çıkmayan elementin eksik miktarını tamamlamak için aşağıdaki eşitlikteki verilen formüle uygun olarak ilave yapılarak döküm alaşımının hazırlanması sağlanır.

 

 

İlave Edilecek miktarı: Analiz sonucu eksik çıkan elementi telafi etmek için ocağa atılacak element miktarı. 

Hedef Değer: İlave yapıldıktan sonra elementin çıkması istenen değer.

Mevcut değer: Ara analiz sonucu eksik çıkan elementin mevcut değeri.

Tenör: İlave edilecek malzeme içerisinde eklenmesi istenen element yüzdesi.

Ocak ağırlığı: Ocakta mevcut alaşım ağırlığı.

 

Ocaktan ara analiz sonucu alınan numunenin sonuçlarına göre gereken malzemeler istenen bileşim değerine göre ilave edilir. Tablo 1.de hedef bileşim değerleri ve ara analiz numunesi sonucu değerleri verilmiştir. Buna göre eksik kalan elementlerin ilavesi için gerekli hesaplamalar yapılacaktır.

Tablo 1. Örnek ara analiz numunesi için ara analiz ve hedef bileşim değerleri.

Element %	C	Si	Mn	P	Cr	Ni	Mo	Nb	V	Fe
Hedef Değer	0,15-0,23	0,5-0,8	1-1,2	0,03 max.	18-20	8-10	0,5-0,6	0,02 max.	0,8-1	Kalan
Analiz Sonucu	0,14	0,74	1,05	0,008	17,75	7,5	0,54	0,001	0,874	Kalan

 

Analiz sonucu Cr, Ni ve C değerlerinin düşük çıktığı görülmektedir. Silisyum, krom, mangan gibi bazı elementler alaşımlar şeklinde ocağa katılmaktadır. Şekil 6.da bu elementlerini resimleri verilmiştir. Krom ve Nikel ilavesini sağlamak için FeCr ve Ni alaşımlarından faydalanabiliriz. FeCr alaşımının kimyasal bileşimi Tablo 2.de verilmiştir. Ocak kapasitesi 550 kg ve ara analiz alındığında ocak içerisindeki alaşımın ağırlığı 500 kg olarak hesaplamaları yapalım.

 

 

Şekil 6. a) Ferro Silisyum, b) Ferro Krom, c) Ferro Mangan[7].

 

Tablo 2. Ferro Krom elementinin kimyasal bileşimi[7].

 

Alaşımın hedef Cr miktarını % 18 ile % 20 arasında olması isteniyor. Hedef bileşim olarak %18,4 Cr miktarına göre gerekli Cr miktarının hesaplanması;

 

İlave Cr miktarı = [(Hedef Cr miktarı – Mevcut değer / Tenör – Hedef değer )] x Ocak Ağırlığı

İlave Cr miktarı = (18,4 – 17,75 / 65 – 18,4 ) x 550

 

FeCr alaşımı içerisinde Cr harici % 6 oranında C elementi de bulunduğu için buradan alaşıma etki edecek C miktarının hesaplamamız gerekir;

Alaşıma geçen C miktarı = 7,7 kg x % 6                               

 

FeCr alaşımı ilavesiyle 0,462 kg C alaşıma etki etmektedir. Bu miktar alaşımın karbon miktarını; (0,462 / 550) x 100 = % 0,084 C oranında artırmıştır ve

 

Gerekli Nikel ilavesini sağlamak için Ni alaşımlarından faydalanılacaktır. Ni alaşımının içerisinde %99 saflıkta Nİ mevcuttur. Alaşımın hedef Ni miktarını % 8,4 olduğu durumdaki gerekli Ni miktarının hesaplanması;

 

İlave Ni miktarı = [(Hedef Ni miktarı – Mevcut değer / Tenör – Hedef değer)] x Ocak Ağırlığı

İlave Ni miktarı = ( % 8,4 – 7,5 / 99 – 8,4 ) x 550

 

Ara analiz sonuçlarına göre yapılan hesaplamalarda 7,7 kg FeCr ve 5,5 kg Ni elementi ilaveleri ile hedef bileşime ulaşılabileceği saptanmıştır. Krom miktarını artırmak için ocağa katılan FeCr elementinde %6 oranında bulunan karbon ocağın karbon seviyesinin istenen değere ulaştırdığından ayrıca karbon elementi katmaya gerek kalmamıştır. Bu ilave elementleri harici ocağı doldurmak için aynı bileşime sahip daha önce dökümü yapılan parçanın yolluk ve besleyici döngüsü ile şarj edilebilir. Alternatif olarak alaşımın Cr ve Ni miktarları ile benzer oranlara sahip 304 paslanmaz hurdası ile şarj edilebilir. En son olarak tekrar bir numune alınıp yapılan hesaplamaların sağlaması yapılarak döküme geçilmelidir.

 

Döküm özellikleri sınırlı ve dökümü zor olan saf metaller belli oranlarda diğer metal ve ametallerle karıştırılarak standart alaşımlar geliştirilmiştir. Bu standartlar döküm özelliklerini iyileştirmekle birlikte bu standartlara uygun ve istenilen yapıdaki malzemenin oluşumu için ergitme sürecinde alınan numunelerin spektrometre cihazları ile kimyasal analizler yapılır. Ergitme işlemlerinde denetim kolaylığı, yüksek verimliliği, madde kayıplarının son derece düşük olması tam otomatik üretime uygunluğu ve çevre kirliliği yaratmaması gibi nedenlerden dolayı endüksiyon ocakları günümüzde giderek yaygın bir kullanım kazanmaktadır. Ocak içerinde standartlara uygun bileşime sahip olarak ergitildikten sonra pirometreler ile ölçümü yapılan sıvı metalin uygun sıcaklıkta dökümünün yapılması, döküm parçanın kalitesi ve kullanım ömrüne doğrudan etki ettiği için kontrol altında tutulması gereklidir.

 

 

1-    http://perweb.firat.edu.tr/personel/yayinlar/fua_631/631_60506.pdf (Son Ziyaret Tarihi: 05.04.2011)

2-    FAIRCHILD Semiconductor TM, “Induction Heating System Topology Review” July, 2000. http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9012.pdf (Son Ziyaret Tarihi: 12.04.2011)

3-    http://www.reterm.com/Uploads/Dosya/2010-05-10_010547_1.pdf (Son Ziyaret Tarihi:10.04.2011)

4-    Mesleki Eğitim ve Öğretim Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi (MEGEP), Metalurji Alanı, ‘‘Endüksiyon Ocağı’’ Ankara, 2006.

5-    Mesleki Eğitim ve Öğretim Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi (MEGEP), Metalurji Alanı, ‘‘Kimyasal Deneyler’’ Ankara, 2006.

6-    http://www.repamet.com/foundry-ark.htm (Son Ziyaret Tarihi: 07.04.2011)

7-    http://marmarametal.com/tr/default.asp (Son Ziyaret Tarihi: 13.04.2011)