Yerli Selestit Cevherinden Al-Sr Master Alaşım Üretimi ve Özelliklerinin Araştırılması
Tez Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Cüneyt Arslan
Tezin Onay Tarihi: 2018
Tezin Dili: Türkçe
Özet:
Bu tez çalışmasında temel hedef günümüzde atıl durumda kalmış olan yerli selestit cevherini işleyerek alüminyum döküm sanayiinde yaygın olarak kullanılan alüminyum-stronsiyum master alaşım üretimini gerçekleştirmektir. Bu hedefle öncelikle ticari değeri selestitten daha yüksek olan stronsiyum karbonatın (SrCO3) üretimi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Daha sonra elde edilen SrCO3 yenilikçi bir yöntemle indirgenerek Al-Sr master alaşımı üretilmiştir. Yapılan çalışmalar üç ana bölümde incelenmiştir. Çalışmaların ilk bölümünde Sivas bölgesi selestit cevherinin çözeltiye alınabilirliği araştırılmıştır. Selestit cevherindeki stronsiyum sülfat (SrSO4), laboratuvar ölçekli döner fırında karbotermik redüksiyon ile suda çözünebilir stronsiyum sülfür (SrS) bileşiğine dönüştürülmüştür. Karbotermik redüksiyon öncesinde selestit-kok karışımına mekanik aktivasyon uygulanarak redüksiyon sıcaklığı 965°C'den 892°C'ye kadar düşürülmüştür. Pirometalurjik bir proses olan karbotermik redüksiyon yönteminde selestit cevheri metalurjik kok ile 1000 – 1200°C arası sıcaklıklarda farklı eğim (2 – 6°) ve farklı dönme hızlarında (2 – 6 rpm) indirgenerek siyah kül elde edilmiştir. Yapılan çalışmalarda en yüksek redüksiyon verimi (% 75), 1100°C'de 2° eğim ve 6 rpm dönme hızında elde edilmiştir. Daha sonra elde edilen SrS'ün saf suda çözünebilirliği araştırılmıştır. SrS'ün çözünebilirliği için yapılan çalışmalarda sıcaklık (25 – 95 °C), katı/sıvı oranı (1/5 – 1/50) ve liç süresinin (90 – 150 dk) etkileri incelenmiştir. En yüksek SrS çözünürlüğü (148,54 ppm) 95°C'de 1/5 katı/sıvı oranıyla sağlanmıştır. Selestitin çözeltiye alınması için uygulanan bir diğer yöntem de, asidik klorürlü çözeltide liçi olmuştur. Saf suda çözünürlüğü oldukça düşük olan selestit HCl (0 – 1 M) ve NaCl (0,5 – 1,5 M) ile hazırlanan çözeltilerde BaCl2 sayesinde çözeltiye alınabilmiştir. Farklı sıcaklıklarda yapılan çalışmalarda en yüksek Sr konsantrasyonu (1931 ppm), 85°C'de 0,5 M HCl ve 1 M NaCl ile hazırlanan çözeltide elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, selestitin liçi ile elde edilen Sr yüklü çözeltilerden sodyum karbonat ve amonyum karbonat ile SrCO3 çöktürülmüştür. SrS çözeltilerine her iki karbonat çözeltisi de eklendikten sonra beş dakikadan daha kısa sürede çözeltideki Sr'un tamamına yakını SrCO3 şeklinde çökmektedir. Kullanılan sodyum karbonatın SrS çözeltisindeki stronsiyuma denk konsantrasyonda olması yeterli olmaktadır. Ancak çözelti sıcaklığı yükseldikçe çökelen SrCO3'ın kristallik derecesi artmaktadır. Çöktürme öncesinde amonyum karbonat çözeltisine eklenen % 10 NH3 ve % 1,2 H2O2 çökelme verimini değiştirmemekte fakat SrCO3'ın kristallik derecesini arttırmaktadır. Asidik klorürlü çözeltilere eklenen fazla miktardaki sodyum karbonat, çözeltinin pH'ını yükselterek SrCO3'ın çökelmesini sağlamaktadır. Çözelti pH'ı beşi geçtikten sonra SrCO3'ın çökeldiği tespit edilmiştir. Farklı sıcaklıklarda (25 – 75°C) yapılan çöktürme deneylerinde en yüksek verim (% 99,5) 75°C'de 120 dk sonunda elde edilmiştir. Bu çalışmalara ilaveten; stronsiyum yüklü çözeltilerden karbonat çöktürmeye alternatif olarak selestit cevherinin stronsiyum karbonata direkt dönüşümü gezegen tip bilyalı öğütücüde gerçekleştirilmiştir. Mekanokimyasal dönüşüm verimine öğütme hızı (150 – 450 rpm), öğütme süresi (15 – 120 dk) ve Na2CO3 konsantrasyonunun (1 – 1,5 M) etkisinin incelendiği çalışmalarda en yüksek verim (% 99,7), 300 rpm, 120 dk ve 1,5 M koşullarında elde edilmiştir. Elde edilen SrCO3'ın kalsinasyonu laboratuvar ölçekli döner fırında gerçekleştirilmiştir. SrCO3'a % 15 oranında metalurjik kok ilavesi yapıldığında 1200°C'de kalsinasyon verimi maksimize edilebilmektedir. Çalışmanın son bölümünde, master alaşım üretimi SrO ve SrCO3'ın metalotermik redüksiyonu ile gerçekleştirilmiştir. Metalotermik redüksiyon ile ilgili çalışmalar indüksiyon fırında saf Al veya Al6Mg alaşımlarına SrCO3 ve SrO tozları beslenerek yapılmıştır. Tozların 1200°C'deki sıvı metale beslenmesi, karıştırıcı içinden Ar gazı ile taşınmasıyla gerçekleştirilmiştir. Sistemdeki oksijen kısmi basıncını düşürmek için metal yüzeyine deneyler süresine Ar üflenmiştir. SrO'in saf Al ile redüksiyonu neticesinde % 1,06 Sr içeren master alaşım elde edilirken, Al6Mg alaşımyla yapılan redüksiyon sayesinde % 5,17 Sr içeren master alaşım elde edilmiştir. Elde edilen master alaşımların modifikasyon performansları 725°C'de ergitilen EtiAl 171 alaşımıyla belirlenmiştir. Ticari Al5Sr master alaşım ile aynı performansta master alaşım üretimi gerçekleştirilmiştir.