Kompozit Malzemelerin Darbe Dayanımı
ÖZET
Kompozit malzemeler “matriks” adı verilen bir ana bileşenle, yüksek mukavemete ve yüksek elastiklik modülüne sahip olan “takviye edici” (fiber, tanecik, pulcuk vb.) olarak adlandırılan bileşenlerden oluşur. Kompozit malzemeler; malzeme kompozisyonuna göre metal-organik, metal-inorganik, organik-organik ve seramik-metal şeklinde sınıflandırılabileceği gibi yapısal bileşenler olarak da metal-metal, metal-seramik, metal-plastik ve seramik-plastik olarak sınıflandırılmaktadır.
Bu çalışmada, öncelikle kompozit malzemeler hakkında genel bir bilgi verilmiş olup daha sonra tabakalı kompozit malzemelerin düşük ve yüksek hızlı darbelere karşı göstermiş olduğu davranış açıklanmıştır. Bununla birlikte düşük ve yüksek hızlı darbe test metotları hakkında bilgi verilmiş olup darbe davranışına karşı deneysel sonuçların değerlendirmesi yapılmıştır. Ayrıca darbe türünün belirlenmesinde hasar türü ve darbe enerjisinin önemi açıklanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kompozit malzemeler, darbe dayanımı, darbe test metotları.
1. GİRİŞ
Kompozit malzemeler, iki veya daha fazla sayıdaki, aynı veya farklı gruptaki malzemelerin en iyi özelliklerini, yeni ve tek bir malzemede toplamak amacıyla, makro seviyede birleştirilmesiyle oluşturulan malzemeler olarak adlandırılır. Bu bileşenler makroskobik seviyede bir araya getirilirler ve birbirleri içinde çözünmezler. Takviye elemanı olarak adlandırılan bileşen; fiber, partikül veya ince levha şeklinde olabilir. Diğer bileşen ise matriks fazıdır. Bu malzemelerin bir araya getirilmesi sonucunda bir takım çalışma karakteristikleri, bu bileşenlerin tek olarak değerlendirildiği durumdakinden daha iyi olmasına müsaade etmektedir. Buna karşılık bu malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemede bazı güçlükler mevcuttur. Bu durum kompozit malzemelerin metalik malzemelere nazaran daha kompleks bir yapıya sahip olmasından kaynaklanmaktadır.
2. KOMPOZİT MALZEMELERİN BİLEŞİMİ
Kompozit malzeme, tasarımda aranan özellikleri verebilecek daha uygun bir malzeme oluşturma için makro seviyede iki ya da daha fazla malzemenin birleştirilmesi sonucu elde edilen yeni malzemedir. Makro yapıdan kasıt malzemenin makroskobik olarak her tarafta eşit olmasıdır. Kompozit malzemeler birden çok metalik, organik veya inorganik bileşenden oluşabilir. Bu bileşim neredeyse sınırsızdır. Yani elde etmek istediğimiz sonuç yapının özelliklerine göre aşağı yukarı istediğimiz her malzemeden bir kompozit elde edebiliriz. Ancak bu yapı içerisinde bulunacak olan destek malzemeler için bazı sınırlar vardır. Bir kompozit içerisinde bulunabilecek olan destekleyici yapılar fiber, partikül, pulcuk, lamine ya da dolgu olarak bulunabilir.
Kompozit malzemelerin bilinen klasik metal malzemelere göre üstün yanları malzeme kombinasyonunun sonsuz sayıda olmasıdır. Kompozitlerin bu avantajları onlara malzeme özelliklerini istenildiği gibi değiştirme imkânı tanır. Dolayısı ile yapıda var olması istenen düşük ağırlık, yüksek mukavemet, yorulma ve aşınma dayanımı, estetik görünüm, elektrikî iletkenlik, rijitlik gibi özellikler kompozit malzemelerle daha iyi elde edilebilir. Bir kompozit malzeme bünyesinde, çekirdek olarak adlandırılan takviye elemanı ve bunun etrafını saran matriks malzemesini içermektedir. Takviye elemanı olarak değişik morfolojiye sahip kısa ve uzun elyaflar, parçaçıklı seramikler gibi malzemeler kullanılmaktadır. Bunların temel fonksiyonu gelen yükü taşımak ve matriksin rijitlik ve dayanımını arttırmaktır. Matriksin fonksiyonu ise elyaflara yük ve gerilim transferi sağlayabilmek için elyaf-matriksi bir arada tutmak yanında, çoğu takviye elemanları gevrek ve kırılgan olduklarından onların yüzeylerini dış etkilere karşı korumaktır. Ayrıca plastiklik ve süneklik üstünlüğü ile elyaflarda kırılgan çatlakların yayılmasını önler. Plastik deformasyonlar ve çatlaklar varsa elyaflara paralel olarak yönlerini değiştirir.
Bu bilgiler doğrultusunda kompozit malzemelerin üretimi ile şu avantajlı özellikler sağlanabilir:
Yüksek dayanım,
Yüksek rijitlik,
Yüksek yorulma dayanımı,
Mükemmel aşınma direnci,
Yüksek sıcaklık kapasitesi,
İyi korozyon direnci,
İyi termal ve ısı iletkenliği,
Düşük ağırlık,
Estetik görünümdür.
Bütün bu özellikleri aynı zamanda oluşturmak mümkün değildir ve herhangi bir uygulama için böyle bir gereksinime ihtiyaç da yoktur. Özellikleri bilinen bileşenlerden yararlanılarak oluşturulan bir kompozit malzemenin bazı özellikleri, örneğin; yoğunluk, elastik modülleri, çekme dayanımları vb. hesaplanabilir.
Yukarıda belirtilen kompozit malzemelere ait avantajları sağlayabilmek için gerekli şartlar, uygun matriks ve takviye eleman çifti, üretim tekniği, bileşenlerin mukavemet özellikleri ve diğer faktörler göz önüne alınarak üretim yapılırsa istenilen özelliği elde etmek mümkündür.
Bu avantajların yanında kompozit malzemelerin bazı olumsuz yanları da vardır. Bunlar;
Üretim güçlüğü,
Pahalı olması,
Maliyetinin yüksek olması ve gerekli yüzey kalitesinin elde edilemeyişi,
Diğer malzemeler gibi geri dönüşümünün olmayışı,
Kırılma uzamasının az oluşu gibi faktörler sayılabilir.
Yeni gelişen bir malzemeyi modern kompozit olarak adlandırabilmek için aşağıda kriterleri taşımalıdır;
En az iki veya daha fazla fiziksel ve mekanik özelliği ayrı olan malzemelerin birleştirilmesi ve farklı ara yüzeye sahip olmaları,
Herhangi bir ferdi bileşenle elde edilemeyen mekanik özelliklerin gerçekleştirilmesi,
Optimum özellikler elde edebilmek için bir malzemenin diğer malzeme içerisine kontrollü bir şekilde dağıtılmasıyla iki ayrı malzeme karıştırılarak kompozit bir malzeme oluşturulması gerekmektedir.
3. TABAKALI KOMPOZİT MALZEMELER
Tabakalı kompozitler bilinen en eski kompozit malzeme şeklidir. En az iki değişik levha malzemenin tabakalar halinde dizilerek oluşturduğu malzemelere tabakalı kompozit malzemeler denir. Ayrıca, tabakalar halinde bulunması her tabakanın ayrı bir kompozit olmasına izin vermektedir. Tabakalı kompozitlerin tasarım, üretim, standartlaştırma ve kontrolü diğer kompozitlerden daha kolay olmaktadır. Bu kompozitlerde özel gereksinimleri karşılamak amacıyla birden çok tabaka birlikte kullanılabilir. Bunlara sandviç malzeme de denir. Tabakalama işlemiyle kompozit malzemenin mukavemeti, katılığı, aşınma direnci, ısıl yalıtım özellikleri iyileşirken çekiciliği de artar.
Tabakalı kompozit malzemeler en az iki tabakadan oluşurlar. Ancak, dayanım ve mekanik özelliklerin özellikle önem taşıdığı hallerde, malzemenin bu özelliklere sahip olabilmesi için en az üç veya daha fazla tabaka kullanılmaktadır. Bu tabakaları oluşturan malzemeler farklı olabileceği gibi, aynı tür malzemeden de yapılabilmektedir. Tabakalı kompozitlerin üretiminde, genel olarak tabaka niteliğindeki her türlü malzeme kullanılabilmektedir. Burada ilke birbirlerinin özelliklerini olumlu yönde takviye edecek bir kompozisyonun oluşturulmasıdır. Tabakalı kompozitlerin üretiminde farklı türden veya tek bir türden
Tabakalı kompozit malzemeler üretimde kullanılan malzemelerin türlerinden hareketle,
Farklı malzemelerden oluşan tabakalı kompozit malzemeler,
Tek tür malzemelerden oluşan tabakalı kompozit malzemeler şeklinde iki grupta toplamak mümkündür.
Bunun yanı sıra tabakalı kompozit malzemeleri;
Metal tabakalı kompozit malzemeler,
Cam tabakalı kompozit malzemeler,
Polimer esaslı tabakalı kompozit malzemeler,
Ahşap tabakalı kompozit malzemeler,
Tabakalı lifli kompozit malzemeler olarak da beş grupta sınıflandırılabilir.
4. TABAKALI KOMPOZİT MALZEMELERİN DARBE DAVRANIŞI
Mühendislik uygulamalarında, özellikle de mekanik uygulamalarda, dışarıdan gelecek herhangi bir darbeye karşı beklenmedik sonuçların ortaya çıkmaması için, malzemenin gerekli en uygun cevabı veya davranışı verebilmesi istenir. Uygulama yerine ve kullanım amacına göre malzemenin maruz kalabileceği darbeler çok farklı şekillerde olabilir. Buna karşın darbeye karşı olan cevap da malzemenin kendisi tarafından belirlenir. Şöyle ki, metal ve metal alaşımları durumunda darbeye karşı malzemenin cevabı; elastik uzama ve plastik şekil değiştirme şeklinde meydana gelir ve darbe hasarı, çoğunlukla, çarpma yüzeyinde başladığı anda kolay bir şekilde tespit edilebilir. Darbe hasarı, metal malzemelerde genellikle bir tehlike işareti olarak kabul edilmez, çünkü metaller plastik şekil değiştirebilme kabiliyetlerinden dolayı büyük miktarda enerjiyi absorbe edebilirler. Metaller sabit bir gerilme durumunda yapı sertleşmeden önce çok büyük uzamalarda akabilirler, bu nedenle oluşacak kopmalar ani ve beklenmedik olmaz.
Kompozit malzemelerde bir darbe sonucunda oluşan hasar, çarpmanın türüne göre darbeye maruz kalmayan yüzeyde meydana gelebilir, içyapıda oluşan delaminasyonlar (tabakalar arasında ayrılma) şeklinde başlayabilir. Yukarıda da bahsedildiği gibi metallerde darbe cevabı, plastik şekil değiştirme sonucunda bir kopma şeklinde olmasına rağmen, kompozitler çok değişik modlarda hasara uğrayabilirler ve bu hasar modlarında parçanın yapısal bütünlüğünde ciddi bir değişiklik meydana gelmez. Genellikle gözle görülmeyen veya çok zayıf bir şekilde görülebilen hasarlar meydana gelir. Plastik matriksli kompozit malzemelerin hemen tamamı kırılgandır, bu nedenle enerjiyi sadece elastik deformasyon ve bazı hasar mekanizmaları (matriks kırılması, delaminasyon, fiber kopması v.b) sayesinde absorbe edebilirler, diğer bir değişle enerjiyi soğurmada plastik deformasyonun katkısı hemen hemen hiç yoktur. Bu anlamda hasar direnç ifadesi, bir kompozit sistemde meydana gelen darbe hasarının miktarını ifade eder.
Tabakalı kompozit malzemede, eğer kalınlık boyunca bir takviye söz konusu değil ise, en büyük darbe hasarı enine doğrultuda oluşacaktır. Bunun en önemli nedenlerinden birisi, enine doğrultudaki malzeme elastik özelliğinin düşük olmasıdır. Bu nedenle bir kompozit malzemenin enine hasar direnci nisbeten zayıftır. Tabakalar arası gerilmeler (kesme ve normal) tabakalar arası mukavemetin düşük olmasından dolayı ilk kopmalara sebep olan gerilmelerdir. Darbe esnasında kompozit malzemeye aktarılacak enerjinin miktarı, malzemenin bu enerjiyi sönümleyebilmesi için oluşacak hasar modlarını belirleyecektir. Bu nedenle tabakalı bir kompozit malzemede darbenin oluşturacağı hasarı tahmin etmek için darbe hızının belirlenmesi çok büyük bir öneme sahiptir.
4.1. Düşük Hızlı Darbenin Belirlenmesi
Genel olarak, darbeler düşük hızlı veya yüksek hızlı olarak sınıflandırılırlar, fakat bu kategoriler arasında açık bir geçiş yoktur. Yapılan araştırmalar bu geçişin belirlenmesinde henüz net bir sonucun elde edilemediğini göstermektedir. Bu konuda yapılmış çalışmalardan bir kısmı düşük hızlı darbeyi ki bunlar statikmiş gibi düşünülebilir, hedefin rijitliğine, malzeme özelliklerine ve çarpan cismin kütle ve rijitliğine bağlı olarak 1 ila 10 m/s arasında değişen hızlar olarak değerlendirilmesi gerektiğini savunmaktadır [1, 2]. Düşük hızlı darbeye en basit örnek olarak kompozit malzeme üzerine imalat veya bakım esnasında kaza sonucu bir parçanın düşmesi verilebilir. Düşük hızlı darbeler normal olarak çarpışma temas anında malzeme içyapısında deformasyon oluşturan darbelerdir. Bazen düşük hızlı darbe, düşük enerjili darbe olarak da kullanılır. Düşük hızlı darbede, malzemenin içyapısında darbeye karşı cevap verebilmek için gerekli olan temas süresi yeterlidir ve sonuç olarak daha fazla enerji elastik olarak soğurulur. Bu nedenle hedefin dinamik yapısal cevabı çok büyük bir öneme sahiptir. Yüksek hızlı darbe cevabı malzeme boyunca yayılan gerilme dalgası tarafından hâkim olunur ki bu durumda malzeme darbeye karşı cevap verebilme zamanına sahip olamaz ve çok küçük bir bölgede hasar oluşur. Cantwell ve Morton, kompozit malzemenin darbe davranışını belirlemek için Charpy ve Izod gibi bilinen darbe deneylerini kullanmışlar ve düşük hızı 10 m/s’ye kadar olan hızlar olarak sınıflandırmışlardır [3]. Bununla birlikte Abrate, tabakalı kompozit malzemelerde darbe ile ilgili yapmış olduğu çalışmalarda düşük hızlı darbeleri 100 m/s’den düşük hızlarda oluşan darbeler olarak belirlemiştir [4]. Darbe türünün, darbe hız sınırını belirleyerek tespit edilmeye çaba gösterildiği bu çalışmaların yanı sıra sınıflandırmanın darbe sonucunda meydana gelen hasara göre yapılması gerektiği görüşü de savunulmaktadır. Bu nedenle yüksek hız, delinme şeklinde meydana gelmiş fiber kopması, düşük hız ise tabakalar arası ayrılma (delaminasyon) ve matriks kırılması ile belirlenir. Davies ve Robinson düşük hızlı darbeyi kalınlık boyunca gerilme dalgasının gerilme dağılımında önemli bir rolü olmadığı bir darbe türü olduğunu belirtmekte ve yüksek hıza geçişi veren bir model önermektedir [5]. Çarpan cismin altında dairesel bir bölge, gerilme dalgası tabaka boyunca yayılırken düzgün bir şekil değişikliğine uğrar.
Sıkıştırma şekil değiştirmesi olarak aşağıdaki eşitlik kullanılır:
c = Çarpma Hızı / Malzeme İçindeki Ses Hızı (1)
Bu değer % 0,5 ila 1 arasındaki kopma uzamaları için, epoksi kompozitler durumunda 10–20 m/s hızda gerilme dalgasının baskın olduğu duruma geçişi verir.
4.2. Enine Darbe
Kompozit malzemelerin en hassas oldukları yükleme durumu düzlem dışına doğru (tabaka veya fibere dik yükleme) olandır. Çünkü malzeme kalınlık doğrultusunda tabaka düzleminde olduğundan daha zayıftırlar. Sonuç olarak, enine darbeye maruz kalan kompozit malzemeler, toplam yük taşıma kapasitelerinde önemli düşüşlere sebep olan hasarlara uğrarlar. Kompozit malzemelerin bu darbe yüklerine karşı göstermiş oldukları cevap çok karmaşıktır. Bu, kompozit malzemeyi meydana getiren her bir bileşenin kendi özellikleri kadar yapısal konfigürasyona da bağlıdır. Ayrıca, darbeye verilen cevap çarpan cismin geometrisine, hızına ve kütlesine de bağlıdır. Her biri enine darbenin toplam etkisini karakterize etmede önemli bir rol oynar. Darbe yüklemesi altında çarpan cismin gözle görülemeyen veya zayıf şekilde seçilebilen nüfuziyetine kadar değişebilen farklı şekillerde hasar modları mevcuttur. Düşük hızlı darbeler tabakalar üzerinde gözle görülen hasarlar oluşturmayabilirler. Fakat tabaka içerisinde, matriks kırılması, delaminasyon ve/veya fiber kırılması şeklinde hasarlara sebep olabilirler. Bu, mukavemette önemli derecede bir düşüşe sebep olur. Rijitlikte azalma da mümkündür. Yüksek hızlı çarpmada malzeme üzerinde oluşan hasar, çarpışma temas bölgesindeki küçük bir bölgede yoğunlaşır.
4.3. Tabakalı Kompozit Malzemede Darbe Sonucu Oluşan Hasar Modları
Fiber takviyeli plastik tabakalar, anizotropik ve heterojen yapılarından dolayı dört değişik önemli hasar modunun ortaya çıkmasına müsaittirler [6].
Bunlar;
i. Matriks modu: Kırılma fiberlere paralel meydana gelir. Bunun nedeni bası gerilmesi ve kesme gerilmeleridir.
ii. Delaminasyon modu: Tabakalar arası eğilme cevabı uyumsuzluğundan ortaya çıkar.
iii. Fiber modu: Gerilme altındaki fiber kopar, sıkıştırma altındaki fiber eğilir.
iv. Nüfuziyet: Çarpan cisim kompozit malzemeye tamamıyla nüfuz eder.
4.3.1. Matriks Hasarı: Literatürde rapor edilen darbe testlerinin çoğunluğu, düşük enerjili testleri içerir. Bu enerji seviyesi yaklaşık olarak 1–5 J arasında değişmektedir. Matriks hasarı, düşük hızlı enine darbenin oluşturduğu hasarın ilk tipidir ve genellikle matriks kırılması şeklinde meydana gelir. Matriks hasarı ayrıca fiber ve matriks ara yüzeyi arasındaki bağın kopması şeklinde de oluşur. Matriks kırılmaları, tek yönlü fiberlerden oluşmuş tabakalarda genellikle fiber doğrultusuna paralel düzlemlerde oluşur. Tipik bir matriks kırılması ve delaminasyon modeli Şekil 3’deki gibi açıklanabilir. Üst ve orta katmanlardaki matriks kırılmaları, çarpan cismin kenarının altında başlar (Şekil 3.b.). Bu kesme gerilmeleri, malzeme boyunca oluşan çok yüksek enine kesme gerilmeleri tarafından oluşurlar ve genellikle 45o eğime sahiptirler.
4.3.2. Delaminasyon: Aynı katman grubundaki tabakalar arasında değil, farklı elyaf oryantasyonlarına sahip tabakalar arasında matriks bakımından zengin bölgede meydana gelen bir kırılmadır. Tabakalı kompozit malzemelerde katmanlar arasındaki farklı fiber yönlenmelerinden dolayı bu katmanların eğilme rijitlikleri farklılık gösterir. Delaminasyonun en önemli sebebi; tabakalar arasındaki bu eğilme rijitlik farklılığı ve eğilme kaynaklı gerilmelerdir. Bu konudaki deneyler ve analizler, eğilmenin enine doğrultuda dış bükey olduğu ve fiber doğrultusu boyunca tabakanın konkav eğilmeye eğilimli olduğunu göstermektedir [7]. Tabakalar arası eğilme rijitliğindeki uyuşmazlık ne kadar büyük olursa, en kötü fiber doğrultusudur), delaminasyon alanı da o kadar(ki 0/90 büyük olur. Bunun yanı sıra delaminasyonu malzeme özellikleri, yığılma düzeni ve tabaka kalınlığı gibi diğer bazı faktörler de etkilemektedir. Enine darbeden dolayı oluşan delaminasyon, belirli bir eşik (geçiş) enerji değerine ulaşıldıktan sonra ve sadece matriks kırılması mevcut ise meydana gelir.
Matriks kırılması delaminasyonun başlaması açısından gerekli bir faktördür. Matriks kırılması ve delaminasyon arasında sıkı sıkıya bir ilişki mevcuttur. Delaminasyonlar, tabakalar arası ara yüzey bölgesinde meydana gelirler. Fakat bu bölge her zaman tam olarak ara yüzey bölgesi olmamakla beraber ayrıca her iki tarafta da bir miktar olabilir. Enine darbeye maruz 0/90/0 tabakaları için delaminasyon ve matriks kırılması etkileşmesi göz önüne alındığında; üst katmanlardaki eğimlenmiş kırıklar ara yüzeye ulaştığı zaman durdurulur ve katmanlar arasında delaminasyon olarak ilerler (Şekil 3.a.).
4.3.3. Fiber Kopması: Hasar modlarından bir diğeri olan fiber kopması, genellikle matriks kırılması ve delaminasyondan çok daha sonra meydana gelir. Fiber kopmasına neden olan en önemli iki faktör [8]:
Yüksek lokal gerilmeler ve nüfuziyetin oluşturduğu etkilerdir (esas olarak kesme kuvvetleri tarafından idare edilen etkiler). Bu olay çarpan cismin hemen altında gerçekleşir.
Yüksek eğme gerilmeleridir. Bu olay ise, darbeye maruz kalmayan yüzde meydana gelir.
4.3.4. Nüfuziyet: Hasarın makroskobik bir modudur ve çarpan cismin malzemeye tamamıyla nüfuz etmesine müsaade eden, fiberin kritik bir uzamaya ulaştığı zaman meydana gelir. Nüfuziyetin meydana geldiği darbeler esas olarak balistik ve üzeri hız düzeylerindeki darbeleri oluşturmaktadır. Delme için gerekli olan darbe enerjisi eşiği karbon-fiber takviyeli plastik kompozit malzemeler (CFRP) için kalınlığın artmasıyla hızlı bir şekilde artmaktadır. Balistik hızda meydana gelen darbe olayında kompozit malzemede nüfuziyetin oluştuğu bölgeden (genellikle çarpan cismin büyüklüğünde bir bölgedir) bir parça kesilip dışarı çıkar. Malzemeden bu parçanın kopup dışarı çıkartılmasıyla soğurulan enerji, toplam olarak soğurulan enerjinin büyük bir kısmını oluşturur (tabaka kalınlığına bağlı olarak % 50–60) [9].
5. DARBE TESTLERİ
Tabakalı kompozit malzemelerin darbe direncinin, bir cismin kompozit malzemenin enine doğrultusundaki darbesini simule eden testlerle karakterize edilebileceği açıktır. Birçok test tekniği darbe üretmek için kullanılırlar. Bununla birlikte kompozit malzemelerin darbe davranışını karakterize etmek için standart bir test tekniği veya farklı ülkeler, kuruluşlar ve araştırmacılar arasında yaygın bir şekilde kabul edilen herhangi bir teknik mevcut değildir. Bu durum, farklı kaynaklardan sonuçların karşılaştırılacağı zaman, kompozit malzemelerin darbe cevabı için uygun bir model geliştirme girişimleri için problem oluşturmaktadır. Bu olumsuzluklara rağmen kompozit malzemelerin darbe dirençlerinin belirlenmesi amacıyla günümüzde aşağıdaki test yöntem ve cihazları yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bunlar genellikle üç kategoride sınıflandırılabilirler;
Sarkaç testleri (Charpy ve Izod),
Hava veya gaz silah testleri (düşük hız veya balistik testler),
Ağırlık düşürme testleridir.
Malzeme Charpy Izod
S-Cam/Epoksi (% 55 fiber) 734 -
B/Epoksi (% 55 fiber) 109–190 -
Kevlar/Epoksi (% 60 fiber) 317 158
AS Karbon/Epoksi (% 60 fiber) 101–132 33–67
HMS Karbon/Epoksi (% 60 fiber) 23 7.5
4340 Çelik (Rc = 43–46) 214 -
7075-T6 Alüminyum Alaşımı 153 -
6061-T6 Alüminyum Alaşımı 67 -
Son yıllarda kompozit malzemelerin düşük hızdaki darbe testlerini karakterize etmek için sarkaç veya ağırlık düşürme darbe test cihazlarının bir araya getirilmesiyle oluşturulmuş darbe test cihazlarının kullanımı giderek artmaktadır. Ağırlık düşürme test yöntemi, kompozit malzemelerin darbe testleri için tercih edilen yöntem olmaya başlamıştır. Bunun en önemli sebebi daha geniş bir alanda test parametrelerinin belirlenmesi mümkündür ve sonuçlar çok daha kolay analiz edilebilmektedir.
Bu cihazların bazıları yer değiştirmeyi veya ivmelenmeyi ölçmektedirler. Bu sayede yük, yer değiştirme ve ivmelenmenin çarpma anındaki değişimi kaydedilir. Bu sonuçlar, darbe yükü-zaman ve darbe enerjisi-zaman değişimlerine dönüştürülebilir. Bunlar sayesinde, en uç noktadaki yük ve soğurulan enerji gibi özellikler malzemede meydana gelen kırılma işlemiyle ilişkilendirilebilirler. Tipik bir ağırlık düşürme test cihazı Şekil 5.’de görüldüğü gibidir. Böyle bir cihazı meydana getiren ekipmanlar: platformları destekleyen numuneye veya tüp içerisine yerleştirilen yük ölçme cihazları (yük hücresi), çarpışmadan hemen önceki tüp hızını ölçmeye yarayan fotoelektrik hücreler ve darbe olayını görüntülemek için kullanılan yüksek hız kamerasıdır .
Kompozit malzemelerin darbe özelliklerini darbe test cihazı (serbest ağırlık düşürme, sarkaç, silah v.b), çarpan cismin karakteristiği (içi dolu veya boş, uç şekli ve boyutu v.b), çarpan cismin hızı ve kütlesi (veya enerjisi), numunenin konfigürasyonu (boyutu, geometrisi, numune ve destek noktalarındaki uçların sabitlenmesi v.b) etkilemektedir. Bu nedenle kompozit malzemelerin darbe özellikleri söz konusu olduğu zaman tüm bu kriterlerin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir.
6. SONUÇ
Kompozit malzeme bileşenleri makroskobik seviyede bir araya getirilirler ve birbiri içinde çözünmezler. Bu durum, kompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesinin tek malzemeye nispeten zor olmasına neden olmaktadır. Kompozit malzemenin belirlenmesi gereken özelliklerinden biri de darbe davranışıdır. Çünkü mekanik uygulamalarda, dışarıdan gelecek herhangi bir darbeye karşı beklenmedik sonuçların ortaya çıkmaması için, malzemenin gerekli en uygun cevabı veya davranışı verebilmesi istenir.
Darbe, düşük hızlı ve yüksek hızlı olmak üzere iki şekilde sınıflandırılır. Fakat bu kategoriler arasında açık bir geçiş yoktur. Bazı araştırmacılar enerjisi düşük olan darbeleri (1–5 J) düşük hızlı darbeler olarak adlandırılırlar. Bu tür darbelerde çarpma hızı 1–10 m/s arasında değişmektedir. Her ne kadar darbe türünü belirlemede hız ve enerji miktarları kullanılsa da bazen hasarın türü de sınıflandırmada önem kazanmaktadır. Düşük hızlı darbeler, oluşan hasar bakımından matriks kırılması, delaminasyon oluşumu ve fiber kopmalarının görüldüğü darbelerdir. Yüksek hızdaki darbeler ise çarpan cismin kompozit malzemeye tamamen nüfuziyetinin söz konusu olduğu darbe türüdür.
Tabakalı kompozit malzemede, eğer kalınlık boyunca bir takviye söz konusu değil ise, en büyük darbe hasarı enine doğrultuda oluşacaktır. Bunun en önemli nedenlerinden birisi, enine doğrultudaki malzeme elastik özelliğinin düşük olmasıdır. Bu nedenle bir kompozit malzemenin enine hasar direnci nispeten zayıftır.
Kompozit malzemelerin darbe davranışının tespitinde kullanılan test düzenek ve yöntemleri ile ilgili henüz uluslararası bir standart olmamasına karşın, Izod ve Charpy, ağırlık düşürme ve balistik deneyler yaygın olarak kullanılmaktadır. Charpy ve Izod deneyleri genellikle çentikli malzemenin darbe enerjisinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Ağırlık düşürme deneyinde ise hem çentikli hem de çentiksiz numunelerde malzemenin dayanım, şekil değiştirme, darbe enerjisi değerleri tespit edilmektedir.
27 Ocak 2010 Çarşamba
26 Ocak 2010 Salı
MAGNEZYUM
GELECEĞİN MALZEMESİ-MAGNEZYUM
Dünyamızı tehdit eden felaketler içinde ozon tabakasındaki delinmenin en önemli
nedeni kloro-floro karbon (CFC) olmasana karşılık azot oksit, su buharı, sülfür
dioksit ve diğer gazlar da ozon tabakasını etkiler. Avrupa Çevre Komisyonu
Raporları’nda ozon tabakasındaki delinmenin 1994 yılında maksimum seviyeye
çıktığı, metil kloroform ve karbon tetraklorür konsantrasyonunun düşmesi ile
troposferdeki klorür ve bromür bileşiklerinin yavaş yavaş düştüğü gözlenmiştir.
1996 Montreal protokolü ile ozon tabakasına zarar veren gazların kullanımı
Yasaklanmıştır. Ancak atmosferde biriken gazlar önümüzdeki yüzyılın ortalarına
kadar bu etkisini sürdürecektir.
Yine Avrupa Birliği topluluk stratejisi olarak otomobillerden kaynaklanan CO2
emisyonunun azaltılması ile ilgili komisyon bildirisini 1998 ’de bir rapor halinde
yayınlamıştır. Bu rapora göre: CO2 emisyonunun 2003 yılına kadar 165-170 g/km
olması hedeflenirken, 2008 yılına kadar 140 g/km, 2012 yılında ise 120 g/km CO2
emisyonu ulaşılması gereken gerçekçi rakamlar olarak ifade edilmektedir
Sadece CO2 emisyonu değil taşıt araçlarının atmosfere bıraktığı diğer gaz ve katı
yakıtların miktarında da büyük sınırlamalar ve hedefler getirilmiştir.
Atmosfere önemli miktarda zararlı atık salan otomobillerin bu sınırlamaları yerine
Getirecek teknolojilerle üretilmeleri artık zorunludur. Otomobillerde düşük gaz
emisyonu, bir başka deyişle düşük yakıt tüketimi demektir. Önümüzdeki yüzyılda
Avrupa Birliği ülkelerinde yakıt sarfiyatı için 3 litre/100 km hedefi ulaşılması
Gereken önemli bir nokta olarak karşımızda durmaktadır
Daha az zararlı gaz emisyonu daha az yakıt tüketimi, daha az yakıt tüketimi
Daha düşük ağırlık, daha düşük ağırlık ise daha hafif malzeme demektir.
MAGNEZYUM METALİ-ÜRETİMİ VE KULLANIM ALANLARI
Yer kabuğunda bulunan minerallerin % 2,5 kadarı magnezyum içerir. Ekonomik
Olarak kazanılabilir magnezyum minerali 11 ülkede 38 önemli yatakta 380 milyon
Ton olarak çıkarılmaktadır. Magnezyumun kazanıldığı üç temel kaynak
Bulunmaktadır. * Deniz suyu,* Mineral kayaçlar ve* Asbest.
Dünya üzerinde cevher olarak 2.528 milyon ton magnezit (MgCO3) rezervi olduğu,
Potansiyel rezerv ile birlikte toplam 3.395 milyon ton magnezit bulunduğu rapor
Edilmektedir. Türkiye’de magnezit yataklarının önemli bir bölümü Konya-Kütahya-
Eskişehir üçgeninde bulunmakta olup, geri kalanı Erzincan, Çankırı ve diğer
illerdedir. 5. beş yıllık kalkınma planında Türkiye’den 155 milyon ton rezerv ve 5
Milyon ton potansiyel rezerv ile birlikte toplam 160 milyon ton magnezit bulunduğu
Rapor edilmiştir.
Dolomit (CaMg(Co3)) rezervi olarak dünyada çok büyük yatakların olduğu
Bildirilmektedir. Türkiye ise Dolomit rezervi bakımından sınırsız imkânlara sahiptir.
Üçüncü önemli magnezyum hammaddesi Asbest (magnezyum hidra silikat)’tir.
Dünya Asbest rezervi 145 milyon ton olarak verilmektedir. Bu rezervin %60’dan
Fazlası Kanada ve Rusya’da bulunmaktadır. Türkiye Asbest rezervi bakımından
Oldukça zengin bir ülke olup, ülkenin çeşitli bölgelerinde büyük asbest yatakları
vardır. Deniz suyunda ise % 0.127 magnezyum metali bulunur. Dünya üzerindeki
toplam deniz suyu miktarı 1.44x1018 ton olduğuna göre, deniz suyunda toplam
1.83x1015 ton magnezyum mevcuttur . Dünya’daki en büyük magnezyum
yatakları şu şekilde dağılmıştır:
*Kuzey Amerika: ABD, Kanada
*Güney Amerika: Brezilya
*Avrupa: Norveç, Avusturya, Çekoslavakya, Yunanistan, Türkiye, Rusya,
*Yugoslavya
*Asya: Çin, Hindistan, K.Kore
*Okyanusya: Avustralya
*Afrika
Tüm dünyada magnezyum üretimi 1986.da 322.000 ton. Dan 1990 yılına kadar
360.000 ton a çıkmıştır. 2000 yılında bu miktarın 436.000 ton, 2028. de ise hedefin
498.000 ton olacağı belirtilmektedir. Bu tahminler Feichtinger ve Koltermann
Tarafından 1990 yılında yapılmış tahminlerdir. Ancak günümüzde dünyadaki hızlı
Gelişmelere paralel olarak magnezyum üretimindeki artış hedeflerinin anormal
Boyutlara ulaştığı görülmektedir. 1998 yılında bir araştırma firması olan Roskill’in yayınladığı raporlar 2005 yılında 895.000 ton/yıl gibi rakamlardan söz
Etmektedir. Dünya magnezyum üretiminde 1998 yılının ilk çeyreğinde ise bir rekora
Ulaşılmıştır Toplam magnezyum üretimi 89.300 ton olmuştur. Yine Roskill’in
Raporuna göre 1998 yılında toplam magnezyum üretimi 480.000 ton olacaktır. Bu
Rakamlar 5 ana üretim alanına bölünmüş olan toplam dünya üretimidir.
Tüm tahminlerin üzerinde gerçekleşerek 536.000 ton olmuştur.
Magnezyum Alaşımlarının Temel Malzeme Özellikleri
*Yüksek oranda şekillendirme kabiliyeti ve darbe dayanımı; çok yüksek saflıktaki
Alaşımlar da çok iyi korozyon dayanımı gösterir,
*Magnezyum alaşımları döküm prosesin de yüksek döküm hızı, talaşlı imalatta
Uzun takım ömrü ve çok iyi mekanik işlenebilirlik gösterirler,
*Magnezyumun çevre dostu bir metal olduğu belirtilmektedir. Günümüzde
Malzeme seçimini çevresel faktörlerin ortaya koyduğu kriterler belirlemektedir.
Bu faktörler hammaddeden başlayarak üretim, işleme ve geri dönüşüm aşamalarını
Etkilemektedir. Malzeme üretimi ve kullanımının toplam ekolojik etkileri artık
Karşımıza çıkan önemli bir olgudur.
*Geri dönüşüm. Doksanlı yıllar için bir anahtar kelime durumundadır. Artan
Kullanım alanları ile birlikte geri dönen magnezyum hurdalarında da bir artış
Olmuştur. Bu hurdaların ergitilmesi ve dökümü ile ilgili proses tanımlamaları ve
proses sınırları belirlenmiştir.
*Magnezyum termoplastik özelliğe sahip plastik malzemelere bir alternatif
oluşturmaktadır. Magnezyumun yüksek derecelerdeki fleksibilitesi, çalışma
koşullarındaki yüksek verimi, yapısal konstrüksiyonlarda gerekli olan dayanımı
sebebi ile plastiklere göre çok daha yüksek bir avantaja sahiptir. Plastiklerin güneş
ışınlarına maruz kalması ile mekanik özelliklerinde düşme, yaşlanma veya renk
değişimi meydana gelirken, magnezyum alaşımlarının bu konudaki avantajı
tartışılamaz. Bunun yanında uygun fiyat avantajı da dikkate alınmalıdır.
Magnezyumun Üretim Koşulları Bazında Teknolojik Şansı
Bir malzemenin teknolojik olarak diğer malzemelere göre avantajlı olabilmesi için
bazı temel kriterlere sahip olması gerekir. Magnezyum ve alaşımlarının da bu
temel kriterleri gerçekleştirmesi ve dünya rekabet ortamında yerini alması
gerekmektedir. Magnezyumun, bir malzeme olarak özellikle otomobil endüstrisinde
teknolojik şansını arttırabilmesi için aşağıdaki temel koşulları yerine getirmesi
gerekmektedir.
*Üretilebilirlik hedeflerine ulaşmak (en düşük maliyetle malzeme ve ürün
dizaynının optimizasyonu) büretimde daha fazla otomasyon, farklı malzemelerle
kolayca birleştirme yapabilmek (yapıştırma, kaynak v.b);
• daha fazla kütlesel üretim,
• istenilen nihai şekle mümkün olduğunca yakın üretim yapmak,
• kõsa üretim zamanı,
• hem çok kompleks hem de çok basit şekilli parçaların üretimini
yapabilmek, çok ince kesit kalınlıklarında nihai şekil toleranslarına yakın
üretim yapmak,
*Kaplama ve koruma amaçlı daha fazla rekabet edebilir ürünler,
*Üretimde tekrarlanabilirlik, kalitenin test edilebilirliği,
*Pazara hızlı ürün vermek (çok iyi proses- dünya rekabet hızına ulaşmak),
*Proseslerin maliyetini düşürmek, en azından sabit tutabilmek,
*Çevresel sınırlamalara uymak.
Ürün Özellikleri
Ancak yukarıda anılan koşullar gerçekleştiğinde dünya pazarında rekabet edebilir
bir malzeme olmak mümkündür. Bu koşullar dikkate alındığında, malzeme
kullanım alanlarından en önemlisi otomotiv endüstrisi için "magnezyumun
şansının ne olduğu" sorusu akla gelmektedir. Malzeme olarak otomotiv
endüstrisinde magnezyumun şansının artması, ona dünya rekabet piyasasında
önemli avantajlar kazandıracaktır. Magnezyumun % 95’ lik bir oranla kullanıldığı
AZ91 alaşımı ile Al alaşımlarından en çok kullanılan A380 döküm alaşımı
Karşılaştırıldığın da şu avantaj ve dezavantajlar ortaya çıkmakatdır. Zira bugün
otomotiv endüstrisinde hafif metal olarak magnezyumun karşısında aluminyum
durmaktadır:
*Magnezyum çeliğin ve dökme demirin elastik modülünü azaltır, dökme
demirlerde küresel grafitli yapı sağlayarak bu malzemenin titreşim söndürme
özelliğini iyileştirir,
*Magnezyum, aluminyuma göre 1/3 , çelikten ise %75 daha hafiftir,
*Aluminyumun sünekliği %3.tür; Al-Mg alaşõmõ AM50’ de bu %10 olmaktadır.
*Çekme dayanımı, aluminyumdan %25 daha azdır, ancak akma dayanımı aynıdır.
Fakat spesifik dayanım aluminyuma göre daha fazladır. Darbe dayanımı
aluminyumdan %10 daha düşüktür, ancak spesifik darbe dayanımı daha yüksektir.
Yorulma dayanımı aluminyuma göre %35 daha düşük , ancak spesifik yorulma
dayanımı daha fazladır.
*Rijidite:Magnezyumun modülü aluminyuma göre %40 daha düşük, bu bir
dezavantajdır ve termal genleşme gerilmesini azaltır.
*Çentik direnci aluminyuma göre daha iyidir, akma aynıdır.
*Korozyon özellikleri, yüksek saflıktaki alaşımlar için aluminyuma göre daha iyidir,
ancak bazı uygulamalarda aluminyum daha iyidir.
Daha iyi rekabet için magnezyumun zayıf kalan noktalarının geliştirilmesi gereklidir.
Bunun yanında magnezyumun en önemli dezavantajları şunlardır:: Magnezyumun
sürünme dayanımı 20 oC de Al A380 alaşımına göre % 15 daha azdır.
Magnezyumun termal genleşme katsayısı aluminyuma göre %15 daha fazladır.
Sertlik ise %30 daha düşüktür. Bütün bu dezavantajlara karşılık magnezyumun
üretilebilirliği tartışıldığında üretilebilirlik bakımından aşağıdaki noktalarla
karşılaşmaktayız.
OTOMOBİL ÜRETİMİNDE MAGNEZYUM KULLANIMI
Dünya petrol kaynaklarının korunması, emisyonların düşürülme zorunluluğu ve geri
dönüşülebilirlik, ABD, Avrupa ve Japonya’da otomobil endüstrisinde
magnezyumun, çekici bir malzeme olarak dikkatleri üzerinde toplamasına vesile
olmuştur. "Düşük ağırlık" magnezyumun en önemli özelliğidir. Aynı hacimde diğer
malzemelerle karşılaştırıldığında, bir magnezyum parçanın ağırlığı bir çelik
parçanın ancak %23’ü ve bir aluminyum parçanın %64 ’ü kadardır. Yoğunlukları
mühendislik plastikleri ile karşılaştırılabilen magnezyum, dayanım ve geri
dönüşebilirlik nedeniyle daha olumlu özelliklere sahiptir.
Bugün hafif araba ve kamyonlara bakıldığında magnezyum kullanımının çok az
olduğu görülür. ABD’de araç başına magnezyum kullanımı ortalama olarak 0.9 kg
civarındadır. Magnezyum endüstrisi araç ağırlığında, fiyatta ve/veya
komplekslikteki azalmanın yararlarını otomotiv endüstrisine anlatmaya
çalışmaktadır. Bu endüstrinin birincil odaklandığı nokta otomobil dizaynlarına parça
parça magnezyumun sokulmasını sağlamak şeklindedir. Bir otomobil üretiminde
ağırlıktan azalmayı sağlayacak sistemler beş ana grupta toplanabilir, 1) gövde, 2)
motor, 3) elektrik ve elektronik sistem, 4) transmisyon, 5) kasa, süspansiyon ve
tekerlekler. Otomobillerde kullanılan ön panel çelik ve plastik teknolojisi ile
üretildiğinde 25-30 kg ve yaklaşık 60 parçadan oluşurken, magnezyum kullanılarak
üretilen parça tek bir parçadır ve ağırlığı yalnızca 10 kg’dır. Bu sadece çok
çarpıcı tek bir örnektir. Otomobilin her bir parçası böylesi uygulamalar için
uygundur.
Düşük ağırlıkları yanında, iyileştirilmiş korozyon davranışları, yüksek toklukları
(AM50HP, AM20HP) ve iyi dökülebilirlik özellikleri ile çok büyük ama ince kesitli
parçaların dökülebilmesi gibi özellikleri, magnezyum alaşımlarının otomotiv ve
elektronik endüstrisinde kullanım alanının genişleyerek, pazar payını arttırmasına
neden olmuştur. 1935 yılından beri otomobillerin çeşitli parçalarında kullanılmaya
başlanan magnezyum alaşımları üretim hızı, işlenebilirlik, geri dönüşüm ve
magnezyumun gelişim trendi nedeniyle hergün önemini arttırmaktadır. Kum veya
Basınçlı dökümle üretilebilen otomobil parçalarına ait bazı örnekler şunlardır:
vites kutusu, fren pedal taşıyıcısı, tekerlek, ventil, hava fitresi ve ateşleme
sistem kutuları vb. Bunun dışında AUDİ V8.in ön paneli magnezyum alaşımıdır.
Corvette V8.in motor bloğu.nun magnezyumdan yapılabildiğı bilinmektedir.
Ayrıca oturma koltukları (Mercedes-Benz), yük araçlarının tekerlekleri,
direksiyon göbeği, direksiyon simidi (Toyota), tekerlek kapağı gibi parçalar
magnezyum alaşımlarından üretilmektedir.
Magnezyumun otomobillerde kullanımı uzun bir geçmişe sahiptir. Hem malzeme
özellikleri hem de fiyat bakımından aluminyum ve plastik malzemelere rakip
olabilecek bir malzemedir. Bu malzemenin temel araştırma konusu korozyon
davranışı ile ilgili olup, korozyon davranışın kötü yönde etkileyen demir, nikel,
bakır gibi ağır metaller olmaksızın magnezyum dökümünü gerçekleştirecek
ilerlemeler üzerinde çalışılmaktadır. Ağırlıktan kazanç ve uygun fiyat özelliklerinin
yanında öncelikle korozyon davranışı yüksek, yüksek saflıkta alaşım üretimi ile
yüksek mukavemet ve uzamayı kombine edecek magnezyum basınçlı döküm
alaşımlarının geliştirilmesi gereklidir. Bunu gerçekleştirebilmek için en dar anlamda
otomobil üreticileri, hammadde sağlayanlar ve dökümcüler ortak bir çalışma ile bir
araya gelerek amaca uygun döküm teknikleri geliştirmelidir.
Geleceğin yüksek teknoloji malzemesi olarak tanımlanan magnezyumun, gelecek
yıllarda endüstriyel uygulamalarda büyük bir gelişme hızına ulaşacağı
beklenilmektedir. 2000.li yılların otomobillerinde 40 kg magnezyum
kullanımının gerçekçi olacağı yüksek sesle artık ifade edilmektedir. Hava ve
kara taşıtlarında önemli olan düşük ağırlık ve ekstrem yüklemenin
kombinasyonudur. Bu nedenle, uçakların sürtünen ve taşıyan kısımlarında
magnezyum kullanımı gündeme gelmektedir
Dünyamızı tehdit eden felaketler içinde ozon tabakasındaki delinmenin en önemli
nedeni kloro-floro karbon (CFC) olmasana karşılık azot oksit, su buharı, sülfür
dioksit ve diğer gazlar da ozon tabakasını etkiler. Avrupa Çevre Komisyonu
Raporları’nda ozon tabakasındaki delinmenin 1994 yılında maksimum seviyeye
çıktığı, metil kloroform ve karbon tetraklorür konsantrasyonunun düşmesi ile
troposferdeki klorür ve bromür bileşiklerinin yavaş yavaş düştüğü gözlenmiştir.
1996 Montreal protokolü ile ozon tabakasına zarar veren gazların kullanımı
Yasaklanmıştır. Ancak atmosferde biriken gazlar önümüzdeki yüzyılın ortalarına
kadar bu etkisini sürdürecektir.
Yine Avrupa Birliği topluluk stratejisi olarak otomobillerden kaynaklanan CO2
emisyonunun azaltılması ile ilgili komisyon bildirisini 1998 ’de bir rapor halinde
yayınlamıştır. Bu rapora göre: CO2 emisyonunun 2003 yılına kadar 165-170 g/km
olması hedeflenirken, 2008 yılına kadar 140 g/km, 2012 yılında ise 120 g/km CO2
emisyonu ulaşılması gereken gerçekçi rakamlar olarak ifade edilmektedir
Sadece CO2 emisyonu değil taşıt araçlarının atmosfere bıraktığı diğer gaz ve katı
yakıtların miktarında da büyük sınırlamalar ve hedefler getirilmiştir.
Atmosfere önemli miktarda zararlı atık salan otomobillerin bu sınırlamaları yerine
Getirecek teknolojilerle üretilmeleri artık zorunludur. Otomobillerde düşük gaz
emisyonu, bir başka deyişle düşük yakıt tüketimi demektir. Önümüzdeki yüzyılda
Avrupa Birliği ülkelerinde yakıt sarfiyatı için 3 litre/100 km hedefi ulaşılması
Gereken önemli bir nokta olarak karşımızda durmaktadır
Daha az zararlı gaz emisyonu daha az yakıt tüketimi, daha az yakıt tüketimi
Daha düşük ağırlık, daha düşük ağırlık ise daha hafif malzeme demektir.
MAGNEZYUM METALİ-ÜRETİMİ VE KULLANIM ALANLARI
Yer kabuğunda bulunan minerallerin % 2,5 kadarı magnezyum içerir. Ekonomik
Olarak kazanılabilir magnezyum minerali 11 ülkede 38 önemli yatakta 380 milyon
Ton olarak çıkarılmaktadır. Magnezyumun kazanıldığı üç temel kaynak
Bulunmaktadır. * Deniz suyu,* Mineral kayaçlar ve* Asbest.
Dünya üzerinde cevher olarak 2.528 milyon ton magnezit (MgCO3) rezervi olduğu,
Potansiyel rezerv ile birlikte toplam 3.395 milyon ton magnezit bulunduğu rapor
Edilmektedir. Türkiye’de magnezit yataklarının önemli bir bölümü Konya-Kütahya-
Eskişehir üçgeninde bulunmakta olup, geri kalanı Erzincan, Çankırı ve diğer
illerdedir. 5. beş yıllık kalkınma planında Türkiye’den 155 milyon ton rezerv ve 5
Milyon ton potansiyel rezerv ile birlikte toplam 160 milyon ton magnezit bulunduğu
Rapor edilmiştir.
Dolomit (CaMg(Co3)) rezervi olarak dünyada çok büyük yatakların olduğu
Bildirilmektedir. Türkiye ise Dolomit rezervi bakımından sınırsız imkânlara sahiptir.
Üçüncü önemli magnezyum hammaddesi Asbest (magnezyum hidra silikat)’tir.
Dünya Asbest rezervi 145 milyon ton olarak verilmektedir. Bu rezervin %60’dan
Fazlası Kanada ve Rusya’da bulunmaktadır. Türkiye Asbest rezervi bakımından
Oldukça zengin bir ülke olup, ülkenin çeşitli bölgelerinde büyük asbest yatakları
vardır. Deniz suyunda ise % 0.127 magnezyum metali bulunur. Dünya üzerindeki
toplam deniz suyu miktarı 1.44x1018 ton olduğuna göre, deniz suyunda toplam
1.83x1015 ton magnezyum mevcuttur . Dünya’daki en büyük magnezyum
yatakları şu şekilde dağılmıştır:
*Kuzey Amerika: ABD, Kanada
*Güney Amerika: Brezilya
*Avrupa: Norveç, Avusturya, Çekoslavakya, Yunanistan, Türkiye, Rusya,
*Yugoslavya
*Asya: Çin, Hindistan, K.Kore
*Okyanusya: Avustralya
*Afrika
Tüm dünyada magnezyum üretimi 1986.da 322.000 ton. Dan 1990 yılına kadar
360.000 ton a çıkmıştır. 2000 yılında bu miktarın 436.000 ton, 2028. de ise hedefin
498.000 ton olacağı belirtilmektedir. Bu tahminler Feichtinger ve Koltermann
Tarafından 1990 yılında yapılmış tahminlerdir. Ancak günümüzde dünyadaki hızlı
Gelişmelere paralel olarak magnezyum üretimindeki artış hedeflerinin anormal
Boyutlara ulaştığı görülmektedir. 1998 yılında bir araştırma firması olan Roskill’in yayınladığı raporlar 2005 yılında 895.000 ton/yıl gibi rakamlardan söz
Etmektedir. Dünya magnezyum üretiminde 1998 yılının ilk çeyreğinde ise bir rekora
Ulaşılmıştır Toplam magnezyum üretimi 89.300 ton olmuştur. Yine Roskill’in
Raporuna göre 1998 yılında toplam magnezyum üretimi 480.000 ton olacaktır. Bu
Rakamlar 5 ana üretim alanına bölünmüş olan toplam dünya üretimidir.
Tüm tahminlerin üzerinde gerçekleşerek 536.000 ton olmuştur.
Magnezyum Alaşımlarının Temel Malzeme Özellikleri
*Yüksek oranda şekillendirme kabiliyeti ve darbe dayanımı; çok yüksek saflıktaki
Alaşımlar da çok iyi korozyon dayanımı gösterir,
*Magnezyum alaşımları döküm prosesin de yüksek döküm hızı, talaşlı imalatta
Uzun takım ömrü ve çok iyi mekanik işlenebilirlik gösterirler,
*Magnezyumun çevre dostu bir metal olduğu belirtilmektedir. Günümüzde
Malzeme seçimini çevresel faktörlerin ortaya koyduğu kriterler belirlemektedir.
Bu faktörler hammaddeden başlayarak üretim, işleme ve geri dönüşüm aşamalarını
Etkilemektedir. Malzeme üretimi ve kullanımının toplam ekolojik etkileri artık
Karşımıza çıkan önemli bir olgudur.
*Geri dönüşüm. Doksanlı yıllar için bir anahtar kelime durumundadır. Artan
Kullanım alanları ile birlikte geri dönen magnezyum hurdalarında da bir artış
Olmuştur. Bu hurdaların ergitilmesi ve dökümü ile ilgili proses tanımlamaları ve
proses sınırları belirlenmiştir.
*Magnezyum termoplastik özelliğe sahip plastik malzemelere bir alternatif
oluşturmaktadır. Magnezyumun yüksek derecelerdeki fleksibilitesi, çalışma
koşullarındaki yüksek verimi, yapısal konstrüksiyonlarda gerekli olan dayanımı
sebebi ile plastiklere göre çok daha yüksek bir avantaja sahiptir. Plastiklerin güneş
ışınlarına maruz kalması ile mekanik özelliklerinde düşme, yaşlanma veya renk
değişimi meydana gelirken, magnezyum alaşımlarının bu konudaki avantajı
tartışılamaz. Bunun yanında uygun fiyat avantajı da dikkate alınmalıdır.
Magnezyumun Üretim Koşulları Bazında Teknolojik Şansı
Bir malzemenin teknolojik olarak diğer malzemelere göre avantajlı olabilmesi için
bazı temel kriterlere sahip olması gerekir. Magnezyum ve alaşımlarının da bu
temel kriterleri gerçekleştirmesi ve dünya rekabet ortamında yerini alması
gerekmektedir. Magnezyumun, bir malzeme olarak özellikle otomobil endüstrisinde
teknolojik şansını arttırabilmesi için aşağıdaki temel koşulları yerine getirmesi
gerekmektedir.
*Üretilebilirlik hedeflerine ulaşmak (en düşük maliyetle malzeme ve ürün
dizaynının optimizasyonu) büretimde daha fazla otomasyon, farklı malzemelerle
kolayca birleştirme yapabilmek (yapıştırma, kaynak v.b);
• daha fazla kütlesel üretim,
• istenilen nihai şekle mümkün olduğunca yakın üretim yapmak,
• kõsa üretim zamanı,
• hem çok kompleks hem de çok basit şekilli parçaların üretimini
yapabilmek, çok ince kesit kalınlıklarında nihai şekil toleranslarına yakın
üretim yapmak,
*Kaplama ve koruma amaçlı daha fazla rekabet edebilir ürünler,
*Üretimde tekrarlanabilirlik, kalitenin test edilebilirliği,
*Pazara hızlı ürün vermek (çok iyi proses- dünya rekabet hızına ulaşmak),
*Proseslerin maliyetini düşürmek, en azından sabit tutabilmek,
*Çevresel sınırlamalara uymak.
Ürün Özellikleri
Ancak yukarıda anılan koşullar gerçekleştiğinde dünya pazarında rekabet edebilir
bir malzeme olmak mümkündür. Bu koşullar dikkate alındığında, malzeme
kullanım alanlarından en önemlisi otomotiv endüstrisi için "magnezyumun
şansının ne olduğu" sorusu akla gelmektedir. Malzeme olarak otomotiv
endüstrisinde magnezyumun şansının artması, ona dünya rekabet piyasasında
önemli avantajlar kazandıracaktır. Magnezyumun % 95’ lik bir oranla kullanıldığı
AZ91 alaşımı ile Al alaşımlarından en çok kullanılan A380 döküm alaşımı
Karşılaştırıldığın da şu avantaj ve dezavantajlar ortaya çıkmakatdır. Zira bugün
otomotiv endüstrisinde hafif metal olarak magnezyumun karşısında aluminyum
durmaktadır:
*Magnezyum çeliğin ve dökme demirin elastik modülünü azaltır, dökme
demirlerde küresel grafitli yapı sağlayarak bu malzemenin titreşim söndürme
özelliğini iyileştirir,
*Magnezyum, aluminyuma göre 1/3 , çelikten ise %75 daha hafiftir,
*Aluminyumun sünekliği %3.tür; Al-Mg alaşõmõ AM50’ de bu %10 olmaktadır.
*Çekme dayanımı, aluminyumdan %25 daha azdır, ancak akma dayanımı aynıdır.
Fakat spesifik dayanım aluminyuma göre daha fazladır. Darbe dayanımı
aluminyumdan %10 daha düşüktür, ancak spesifik darbe dayanımı daha yüksektir.
Yorulma dayanımı aluminyuma göre %35 daha düşük , ancak spesifik yorulma
dayanımı daha fazladır.
*Rijidite:Magnezyumun modülü aluminyuma göre %40 daha düşük, bu bir
dezavantajdır ve termal genleşme gerilmesini azaltır.
*Çentik direnci aluminyuma göre daha iyidir, akma aynıdır.
*Korozyon özellikleri, yüksek saflıktaki alaşımlar için aluminyuma göre daha iyidir,
ancak bazı uygulamalarda aluminyum daha iyidir.
Daha iyi rekabet için magnezyumun zayıf kalan noktalarının geliştirilmesi gereklidir.
Bunun yanında magnezyumun en önemli dezavantajları şunlardır:: Magnezyumun
sürünme dayanımı 20 oC de Al A380 alaşımına göre % 15 daha azdır.
Magnezyumun termal genleşme katsayısı aluminyuma göre %15 daha fazladır.
Sertlik ise %30 daha düşüktür. Bütün bu dezavantajlara karşılık magnezyumun
üretilebilirliği tartışıldığında üretilebilirlik bakımından aşağıdaki noktalarla
karşılaşmaktayız.
OTOMOBİL ÜRETİMİNDE MAGNEZYUM KULLANIMI
Dünya petrol kaynaklarının korunması, emisyonların düşürülme zorunluluğu ve geri
dönüşülebilirlik, ABD, Avrupa ve Japonya’da otomobil endüstrisinde
magnezyumun, çekici bir malzeme olarak dikkatleri üzerinde toplamasına vesile
olmuştur. "Düşük ağırlık" magnezyumun en önemli özelliğidir. Aynı hacimde diğer
malzemelerle karşılaştırıldığında, bir magnezyum parçanın ağırlığı bir çelik
parçanın ancak %23’ü ve bir aluminyum parçanın %64 ’ü kadardır. Yoğunlukları
mühendislik plastikleri ile karşılaştırılabilen magnezyum, dayanım ve geri
dönüşebilirlik nedeniyle daha olumlu özelliklere sahiptir.
Bugün hafif araba ve kamyonlara bakıldığında magnezyum kullanımının çok az
olduğu görülür. ABD’de araç başına magnezyum kullanımı ortalama olarak 0.9 kg
civarındadır. Magnezyum endüstrisi araç ağırlığında, fiyatta ve/veya
komplekslikteki azalmanın yararlarını otomotiv endüstrisine anlatmaya
çalışmaktadır. Bu endüstrinin birincil odaklandığı nokta otomobil dizaynlarına parça
parça magnezyumun sokulmasını sağlamak şeklindedir. Bir otomobil üretiminde
ağırlıktan azalmayı sağlayacak sistemler beş ana grupta toplanabilir, 1) gövde, 2)
motor, 3) elektrik ve elektronik sistem, 4) transmisyon, 5) kasa, süspansiyon ve
tekerlekler. Otomobillerde kullanılan ön panel çelik ve plastik teknolojisi ile
üretildiğinde 25-30 kg ve yaklaşık 60 parçadan oluşurken, magnezyum kullanılarak
üretilen parça tek bir parçadır ve ağırlığı yalnızca 10 kg’dır. Bu sadece çok
çarpıcı tek bir örnektir. Otomobilin her bir parçası böylesi uygulamalar için
uygundur.
Düşük ağırlıkları yanında, iyileştirilmiş korozyon davranışları, yüksek toklukları
(AM50HP, AM20HP) ve iyi dökülebilirlik özellikleri ile çok büyük ama ince kesitli
parçaların dökülebilmesi gibi özellikleri, magnezyum alaşımlarının otomotiv ve
elektronik endüstrisinde kullanım alanının genişleyerek, pazar payını arttırmasına
neden olmuştur. 1935 yılından beri otomobillerin çeşitli parçalarında kullanılmaya
başlanan magnezyum alaşımları üretim hızı, işlenebilirlik, geri dönüşüm ve
magnezyumun gelişim trendi nedeniyle hergün önemini arttırmaktadır. Kum veya
Basınçlı dökümle üretilebilen otomobil parçalarına ait bazı örnekler şunlardır:
vites kutusu, fren pedal taşıyıcısı, tekerlek, ventil, hava fitresi ve ateşleme
sistem kutuları vb. Bunun dışında AUDİ V8.in ön paneli magnezyum alaşımıdır.
Corvette V8.in motor bloğu.nun magnezyumdan yapılabildiğı bilinmektedir.
Ayrıca oturma koltukları (Mercedes-Benz), yük araçlarının tekerlekleri,
direksiyon göbeği, direksiyon simidi (Toyota), tekerlek kapağı gibi parçalar
magnezyum alaşımlarından üretilmektedir.
Magnezyumun otomobillerde kullanımı uzun bir geçmişe sahiptir. Hem malzeme
özellikleri hem de fiyat bakımından aluminyum ve plastik malzemelere rakip
olabilecek bir malzemedir. Bu malzemenin temel araştırma konusu korozyon
davranışı ile ilgili olup, korozyon davranışın kötü yönde etkileyen demir, nikel,
bakır gibi ağır metaller olmaksızın magnezyum dökümünü gerçekleştirecek
ilerlemeler üzerinde çalışılmaktadır. Ağırlıktan kazanç ve uygun fiyat özelliklerinin
yanında öncelikle korozyon davranışı yüksek, yüksek saflıkta alaşım üretimi ile
yüksek mukavemet ve uzamayı kombine edecek magnezyum basınçlı döküm
alaşımlarının geliştirilmesi gereklidir. Bunu gerçekleştirebilmek için en dar anlamda
otomobil üreticileri, hammadde sağlayanlar ve dökümcüler ortak bir çalışma ile bir
araya gelerek amaca uygun döküm teknikleri geliştirmelidir.
Geleceğin yüksek teknoloji malzemesi olarak tanımlanan magnezyumun, gelecek
yıllarda endüstriyel uygulamalarda büyük bir gelişme hızına ulaşacağı
beklenilmektedir. 2000.li yılların otomobillerinde 40 kg magnezyum
kullanımının gerçekçi olacağı yüksek sesle artık ifade edilmektedir. Hava ve
kara taşıtlarında önemli olan düşük ağırlık ve ekstrem yüklemenin
kombinasyonudur. Bu nedenle, uçakların sürtünen ve taşıyan kısımlarında
magnezyum kullanımı gündeme gelmektedir
REFRAKTER KİLLER
REFRAKTER KİLLER VE ŞİFERTON
1. GİRİŞ
1.1. Sektöre Giren Malların Tanımı, Sınıflandırılması, Bulunuş Şekli, Uluslararası
Piyasalarda Spesifikasyonları
Genel olarak kil, tanecik büyüklüğü iki mikrondan küçük olan tanelerin çoğunlukta olduğu, ıslatıldığında plastik, pişirildiğinde sürekli sert kalan hidrate alüminyum silikat minerallerinden oluşan bir sistem olarak tanımlanabilir. Kil mineralleri temelde silika, alümina ve suyun oluşturduğu sulu silikatlardır. Ayrıca demir, alkali ve toprak alkalileri farkedilebilir derecede içerirler (Ampian, 1985).
Killer genelde altı gruba ayrılırlar. Bunlar;
1. Kaolin,
2. Bağlama kili,
3. Ateş killeri (şamot),
4. Bentonit,
5. Fuller toprağı,
6. Diğer killer ve şeyl.
Kaolinler tortul ve artık yataklar olarak oluşurlar. Artık kaolin yatakları ana kayacın yerinde altere olması ile oluşurlar. Bununla birlikte refrakter malzeme olarak kullanılanlar genellikle tortul kökenlidirler. Ergime dereceleri 1760oC olup, refrakter malzeme olarak kullanılmaktadırlar (Apaydın, 1981).
Bağlama killeri, sedimanter kökenlidirler. Organik malzemeler, serisit mikalar ve kaolinit içerirler. Genellikle kaolinitten daha ince tane boyuna sahiptirler. Bağlama killeri 1500oC'den daha yüksek sıcaklıklara kadar dayanırlar. Refrakter tuğla yapımında bağlayıcı olarak kullanılırlar.
Yurdumuzda siferton olarak bilinen ateş killeri, detrital bir kil olarak tanımlanırlar. Düşük miktarda demir oksit, kireç, magnezyum ve alkalileri içerirler. 1500oC ve daha yüksek sıcaklıklarda bozunmadan kalabilirler. Kömür damarlarının altında bulunurlar.
Refrakter Killerin Oluşumu: Feldspatça zengin bazik ve andezitik piroklastik kayaçların aşınması ve Neojen lagüner havzalarına taşınması ve depolanması sonucu bağlama kili yatakları teşekkül etmiştir. Lagüner havzaya aynı zamanda ağaç ve bitki artıklarının taşınması ile de linyit seviyeleri oluşmuştur. Kil yataklarındaki ve yataklanma durumundaki düzensizlikler, taşınma esnasındaki mevsimlik tabiat şartları arasındaki değişikliklerden ve lagüner havzalardaki çapraz tabakalanma şartlarından meydana gelmiştir. Havzalara aynı zamanda değişik istikametlerden değişik karakterde malzeme taşınması, havzalarda teşekkül eden killerin yanal ve dikey yönde farklı kalitede olmasına ve kil-kum gibi tedrici geçişli malzemelerin yataklanmasına yol açmıştır.
Şamot kili yatakları ise yerinde (rezidüel) teşekkül etmiş olup ince taneli yeşil renkli volkanik tüflerin üst kısımlarında mercekler halinde meydana gelmiştir. Cevherleşmeyi kontrol eden faktörler olarak;
- Feldspatça zengin andezitik kayaçların mevcudiyeti,
- Ayrışma, aşınma ve taşıma olaylarını meydana getiren olaylar,
- Uygun bir neojen göl havzasının mevcudiyeti,
- Havzada uygun pH ortamını doğuran nedenler,
- Hümüs asidinin varlığı, bu asidin killerin ateşe dayanıklılığını düşüren oksitlerin (Fe2O3, K2O, Na2O, CaO v.b) ortamdan uzaklaştırılmasında etkili olması,
- Havza içerisinde gölsel ortamda meydana gelen çalkantılı ve durgun ortamlar.
Üst seviyede mevcut olan sedimanter menşeli plastik bağlama kili ve kömür yataklarında tabakalanma bariz bir şekilde görüldüğü halde mevzii merceksi olarak teşekkül etmiş olan şamot kili yataklarında hiçbir tabakalanma görülmez, attaki ana kayaç olan volkanik tüflere tedrici olarak geçiş gözlenir.
Feldspatça zengin kayaçların sıcaklık, yüksek basınç ve karbondioksit etkisi ile meydana gelen olaya Kaolinleşme adı verilir.
Feldspatların bünyelerinde bulunan alkali oksitlerin (K2O, Na2O) su ile çözülmesi ile aşağıdaki tepkimeler sonucu geriye kaolinitler kalır.
K2O. Al2O3 . 6 SiO2 + 2 H2O (Hid.) = Al2O3 . 6 SiO2 . H2O + 2 KOH
Al2O3 . 6 SiO2 . H2O (Desilisifikasyon) = Al2O3 . 4 SiO2 + H2O + SiO2
(Pirofillit)
Al2O3 . 6 SiO2 . H2O (Desilisifikasyon) = Al2O3 . 2 SiO2 + H2O + 4 SiO2
Al2O3 . 2 SiO2 . H2O (Hidratasyon) = Al2O3 . 2 SiO2 + 2 H2O
(Kaolinit)
Al2O3.2SiO2.H2O (Desilisifikasyon) = Al2O3.H2O+SiO2 (Diyaspor)
Al2O3 . H2O + H2O (Hidratasyon) = Al2O3 . 2 H2O (Boksit)
Al2O3 . H2O + 2 H2O (Hidratasyon) = Al2O3 . 3 H2O (Gibbsite)
İlk oluştukları yatakta bulunan killer birincil kil, su ile taşınması ve yeniden rezerv oluşturmuş killer ise ikincil kil olarak adlandırılır.
Kil Mineralleri Grupları: Kil mineralleri genellikle 4 grupta incelenir.
1. Kaolinit grubu killer,
2. Smektit grubu killer,
3. İllit grubu killer,
4. Klorit grubu killer.
Kaolinit Grubu Killer : Ana mineral olarak kaolinit (Al2O3 . 2 SiO2 . 2 H2O) içerirler. Doğada saf kaolinit yatakları bulunmaz. Genellikle demiroksit, silisyum oksit, silika türünde mika gibi yabancı maddeler içerirler.
Smektit Grubu Killer : Bu gruba giren killerin mineral yapıları kaolinit gibi aluminyum silikat olmalarına karşılık çok farklı bir görünüm içerisindedirler. Yapılarında magnezyum, kalsiyum, demir, sodyum gibi elementler içerirler. Montmorillonit, saponit, stevensit vb. bu grupta yer alır.
İllit Grubu Killer : Smektit grubu killerden farklı olarak potasyum içermeleridir. Killerin bu grubuna mika grubu da denir. (K2O.3 Al2O3 . 6 SiO2 + 2 H2O = Muskovit)
Klorit Grubu Killer : Bu grup killeri ince taneli ve yeşil renklidirler. Bu grup killer bol miktarda magnezyum, demir (II), demir (III) ve alumina içermektedirler.
Refrakter Killerin Bulunuş Şekli :
-Bağlama Killeri : Genellikle gri renkli bağlama kili ve kahverengi bağlama kili olmak üzere iki tip bağlama kili bulunur.
Gri Bağlama Kili : Gri bağlama kili genellikle taban seviyede Fe2O3 bakımından yüksek olan bir kille temsil edilen gri bağlama kili seviyeleri dikey yönde linyit kömürü ve kum-lekeli kil ardalanmalı, yanal yönde ise kumtaşı ve lekeli killerle geçişler meydana gelmektedir. Fe2O3 oranı % 3-5, Al2O3 oranı % 28-35 arasında değişir. Mekanik mukavemetleri ortalama 25-30 kg/cm3'dür. Tabakalanma yataydır. Plastik bir kildir, 1350oC'de pişme rengi açık tarçın rengindedir. Organik madde azdır, içerisinde bazen ince kömür parçacıkları görülür. Bu da kilde ateş zayiatının artmasına neden olur. SK'sı 28-30, rutubeti % 20-25, ateşte zayiatı % 9-11 arasında değişir.
Kahverengi Bağlama Kili : Kahverengi bağlama kilinin rengi organik maddeden ileri gelir. Organik maddelere bağlı olarak ateşte zayiatı yükselir. Dikey ve yanal yönlerde tedrici geçişlerle kalite değişikliği gösterir. Fe2O3 oranı % 2-3, Al2O3 oranı % 36-41 arasında değişir. Mekanik mukavemeti 30-35 kg/cm3, SK 30-32, ateşte zayiatı % 14-15, rutubet % 25-28 arasında değişir. 1350oC'de pişme rengi açık tarçın rengindedir.
Gerek gri bağlama kili ve gerekse kahverengi bağlama killerinin ana minerali kaolinit kil mineralidir. Ayrıca serbest halde silis, karbonlu madde ve az miktarda alkali bulundururlar.
-Şamot Killeri : Şamot killeri genellikle gri ve açık bej renkli ve yer yer de açık kahverengi renktedir. Plastik olmaması ve suda hemen dağılması ile kolayca tanınır. Ateş zayiatı bünyedeki organik madde ve sudan ileri gelmekte ve Al2O3 içeriğine bağlı olarak değişmektedir. Islak rengi koyu gri olan kil açık renge dönüşmekte ve çok kırılgan olmaktadır. Kuruduğunda parmaklar arasında kolayca ufalanıp dağılmaktadır. Devamlılığı yoktur, yanal ve düşey yönde süreksizlik gösterir.
Şamot killerinin demir oksit ve alkali oksitleri ihtiva etmesi halinde refrakterliğinin (SK) düşmesine neden olur. Şamot kili yataklarındaki ana kil minerali kaolinit (Al2O3 . 2 SiO2 . 2H2O) ve gibsit (Al2O3 . 3 H2O) olup yer yer birlikte bulunurlar.
Refrakter killerde kaliteyi bozan mineraller olarak pirit (linyit tabakalarının içinde disemine halde organik kökenli sekonder oluşum), siderit (şamot killerinin altındaki seviyede mercimek boyutunda saçılmış taneler halinde rastlanan demir karbonattır), organik atıklar, montmorillonitik kil katkıları, alkali bileşikler ve karbonatları sayabiliriz.
Şiferton (Ateş Kili) : Şiferton plastik olmayan, Paleozoyik yaşlı refrakter kildir. Karasal tatlı su göllerinde, durgun sularda teşekkül etmiştir. Alkali ve demir mineralleri bakımından fakir killer refrakter özellikler gösterir. Şiferton hammaddesinde aluminyum oksit ve silisyum oksit mineralleri hakim minerallerdir. Tabiatta şiferton tabakalarına, karbonifer, taş kömürü (genel olarak Westfaliyen-C) damarlarının bazılarının tabanında, bazen aralarında çok az olarak da ince bir seviye halinde üzerinde (tavanında) rastlanılmaktadır. Kömürü teşekkül ettiren Karbonifer bitkilerinden meydana gelen hümüs asitleri tabanda bulunan elverişli killerde bazı kimyasal değişiklikler meydana getirmektedir. Bilindiği gibi hümüs asitleri killerdeki demir minerallerini ve alkali oksitleri kimyasal değişikliğe uğratarak beraberinde daha derinlere götürürler. Asit tesirine daha fazla maruz kalan üst seviyelerde ateşe mukavemet derecesi daha yüksektir. Asit tesirinin azalmasıyla birlikte ateşe mukavemet dereceleri düşer. Hümüs asitlerinin miktarıyla doğru orantılıdır. Ocaklardaki şiferton aynasında iyi kalite A, aynanın tabanına doğru B, sonra C kalite şiferton bulunmasının sebebi budur. Karboniferde mevcut her kömür damarının tabanında şiferton teşekkül etmemiştir. Prodüktif seviye olarak kabul edilen Westfaliyen-C serileri ise genel olarak kömür bakımından prodüktif kabul edilmemektedir. Karbonifer havzasındaki Westfaliyen-C serisinde bulunan kömür damarlarından Çınarlı damarı, Kuru dere damarı gibi isimler şiferton damarları ortaya çıkmıştır.
Şiferton teşekkülü için sularda pH durumunun elverişli olması, etraftan gelen malzemenin kimya bileşimlerinin uygun olması, alkali ve demir bileşiklerinin fakir olması, Al2O3 ve SiO2 . oranının refrakter özellik için belirli yüzdede bulunması gerekir. Taneler çok ince, uzun zaman süspansiyon halinde sularda kalmalı ve yavaş yavaş çökelmelidir. Suların durgun olması, fırtınalı olmaması ve tuzlu olmaması gereklidir. Tuzlu sularda çökelme hızlıdır.
Arzu edilen ekonomik şiferton damarı aşağıda izah edildiği şekilde tabiatta teşekkül etmiş olmalıdır. Tavanda kömür damarı bulunmalıdır. Bu damar oldukça sert olmalı ve tavan basıncını mümkün olduğu kadar karşılayabilmelidir. Şiferton damarı yataya yakın bir şekilde bulunmalıdır.
Şifertonun kalite sınıflaması aşağıda belirtilen şeklindedir;
1- A Kalite Şiferton: (SK 35 veya daha yukarı, rengi siyah, midye kabuğu şeklinde kırılma gösterir. Sert, kaya gibi).
2- B Kalite Şiferton: A kalite şifertonun altında bulunur. SK 34, SK 33 (1730-1755oC) koyu gri renklidir.
3- C Kalite Şiferton: B kalite şifertonun altındadır. SK 32, 31, 30 olup (1695-1710oC) koyu kahverengi renklidir.
4- D Kalite Şiferton: C kalite şifertonun altındadır. SK 29, 28, 27, 26 (1585-1680oC) açık kahverengi, kirli sarı, beyazımsı renktedir.
Yukarıda tavandan tabana doğru dört kaliteye ayırdığımız şiferton damarının tabanında gre seviyesi vardır. Bu damarın kalınlığı 3-4 metre arasında olmalıdır. Kimyasal analiz sonuçlarına göre şiferton hammaddesinde bulunan bileşikler ve yüzdeleri ortalama olarak aşağıda belirtilmiştir.
SiO2 % 40-50
Al2O3 % 25-40
Fe2O3 max % 3
MgO % 0,5-1
CaO % 0,5-1
Bu bileşimde bulunan kil içinde alkali oksitler olmamalıdır.
Killerin endüstride birçok kullanım alanı vardır. Kullanım alanları kilin kimyasal bileşimine bağlı olarak çeşitli sınırlamalar getirmektedir. Genellikle refrakter malzeme olarak kullanılacak killerde, kile refrakterlik özelliği veren alumina miktarının yüksek olması istenir. Alumina içeriğinin artırılması, silis veya demir içeriğinin düşürülmesi ile sağlanabilir. Bunun için killer fiziksel veya gerektiğinde kimyasal zenginleştirme işlemine tabi tutulurlar. Killerin zenginleştirilmesi yaş veya kuru işlemle yapılabilir.
Refrakter Hammadelere Uygulanan İşlemler :
-Refrakter malzemelerin sinterleme sıcaklığına bağlı olarak metalurjik yapısı mevcuttur. Ham haldeki refrakter maddeler seramik bağın oluşturduğu sıcaklıklarda pişirildiğinde genel anlamda sinterleşmiş olurlar. Sinterlemede yapıda istenen faz değişimlerin dolayısıyle mullit oluşumunun tamamlandığı, ısı karşısında oluşabilecek tüm olumsuzlukların bitirildiği, hacimsel değişmeler nedeniyle iç gerilimlere, dolayısiyle deformasyonlara maruz kalacaktır.
-Bağlama Kilinin Kurutulması ve Öğütülmesi : Ham bağlama killeri % 20-25 oranında doğal rutubet ve % 10-15 oranında ateş zayıatına sahiptir. Bu maddelerin gerek tuğla harmanlarında ve gerekse harç harmanlarında kullanılabilmesi için rutubetin indirilmesi ve pişme esnasında gerekli reaksiyonların çok iyi oluşabilmesi için de çok ince olarak öğütülmesi gereklidir.
Şifertonun Zenginleştirilmesi: Refrakter malzemelerde istenmeyen en önemli maddelerden biri Fe2O3'dir. Demiroksit miktarını azaltmak ve mümkün olan en düşük değere indirilebilmesi için Ön Yıkama ve Manyetik Ayırma işlemine tabii tutulması gereklidir. Şiferton hammaddesi önce bir kırma işlemine tabi tutulur ve ön yakma fırınında ateş zayıatı % 2'nin altına düşürülür.Böylece şifertonun içindeki manyetik olmayan demiroksitlerin manyetik hale gelmesi sağlanır. Ön yakılmış şiferton için, manyetik seperatölerde tamburlardaki manyetik alan şiddeti ayarlanarak manyetik seperatörlerde demir oksit ayıklama işlemi yapılmış olur. Manyetik seperatörlerden alınan konsantre şiferton döner fırınlarda sinterlenerek ateş zayıatı % 0,3 seviyesinin altına düşürülür.
2.2.1. Tüketim Alanları, Talep Miktarları
Refrakter killerli ilgili olarak dünya üretimi, tüketimi ve taleplerinin belirlenmesine yarayacak bilgiler kil kapsamındadır.
Refrakter killerin tüketim alanları olarak:
1. Şekilli Tuğlalar-Refrakterler
1.1. Yoğun Tuğlalar
1.1.1.Şamot ve Yüksek Alüminalı Tuğlalar
1.1.1.1. Ağır Hizmet Tuğlaları
1.1.1.2. Genel Hizmet Tuğlaları
1.1.1.3. Hafif Hizmet Tuğlaları
1.1.2. Diğer Tuğlalar (Silika, Porsil)
1.2. Hafif Tuğlalar (İzole Tuğlalar)
1.2.1. Şamot İzole Tuğlaları
1.2.2. Kizelgur İzole Tuğlaları
2. Şekilsiz Refrakterler (Harçlar)
2.1. Örgü Harçları
2.1.1.Yoğun Tuğla Örgü Harçları (Şamot ve Yüksek alumina örgü harçları)
2.1.2. Hafif Tuğla Örgü Harçları (İzole örgü harçları)
2.2. Monolitik Harçlar (Uygulama şekline göre; döküm,dövme,püskürtme ve plastik)
2.2.1. Yoğun Monolitikler (Şamot ve yüksek alümina monolitler)
2.2.2. Hafif Monolitikler (İzole monolitler)
Yoğun tuğlalarda % 46 aluminaya sahip olanlar şamot, % 46 ve daha yüksek aluminaya sahip olanlar ise yüksek aluminalı tuğlalar olarak adlandırılır. Demir çelik sanayiinde yüksek hacim ağırlıklı, sürtünme, kırılma ve curuf atağı mukavemetine sahip olan dolayısıyle ağır şartlarda kullanılacak tuğlalara Ağır Hizmet Tuğlaları, kullanım yeri şartlarının daha hafif olduğu yerlerde Genel Hizmet Tuğlaları, kullanım yeri hafif olan yerlerde Hafif Hizmet Tuğlası adı verilir. İzolasyon tuğlaları izolasyon amaçlıdır ve esas çalışma tuğlaların arkasında kullanılır. Harçlar tuğlaları birbirine bağlayan toz malzemelerdir.
Kullanım Yerleri : Çalışma şartlarının ağır olduğu demir-çelik, çimento, petrokimya sanayiinde ağır hizmet tuğlaları, cam sanayiinde ve kok fırınlarında silika asidik ortamlarda asit tuğlaları diğer çalışma ortamlarında genel hizmet ve hafif hizmet tuğlaları kullanılır.
Killer homojenlik, plastiklik, nem ve kuru mukavemet ile diğer teknolojik özelliklerinin farklılığından dolayı çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Dünya kil üretiminin yaklaşık % 75'i pişirilen ve şekillendirilen seramik ürünlerinin imalatında kullanılmaktadır. Dünya kil üretiminin geriye kalan % 25'i ise killerin özelliklerine göre refrakter sanayiinde, çimento, sondaj çamuru, dolgu ve kaplama malzemesi olarak, temizlik, deterjan, gıda ve ilaç sanayiinde kullanılmaktadır.
Refrakter killer refrakter sanayiinin ana hammaddesini teşkil eder. Kullanımı gittikçe artmakta buna bağlı olarak özellik arzeden yeni kullanım alanları genişlemektedir. Dünyada üretim ve tüketimi özellikler arzetmesi nedeniyle daha çok iç piyasaya yönelik olarak yapılmaktadır. Son yıllarda firmaların kapasite artırımı ve döner fırınlarda sinterleme kapasite artımı sonucunda yurtdışı ithalatları da artmaktadır.
Clays, Mineral Facts and Problems 1985'e göre 1983'de dünya kil kaolen ve bentonit talebi 500 milyon ton olmuştur. Ancak bu killerin büyük bir kısmı refrakter sanayiinin dışında kullanılmaktadır. Geçmiş yıllarda özellikle çelik sanayinin hızla geliştiği yıllarda dünya refrakter tüketimi yılda ortalama % 6 arttığı, gelecekte refrakter kil, şamot yerine daha iyi performans veren kalsine boksit, sentetik mullit, andaluzit, kalsine disten gibi daha yüksek aluminalı hammadde arzında görülen gelişmeler sonucunda refrakter kil talebini etkileyecektir. 1980'li yıllarda ton çelik başına yurdumuzda 36-38 kg refrakter malzeme tüketilirken ithalatın başlaması ile kullanılan yüksek kaliteli sinterler sonucunda 1992 yılında bu rakam ortalama 11 kg refrakter malzeme tüketimine inmiştir. Dünyada bu rakam 8-9 kg refrakter/ton çelik üretimi olarak gerçekleşmektedir.
2.3. Üretim
2.3.1. Üretim Teknolojisi
Dünya kil üretiminin büyük bir kısmı, modern açık işletme ekipmanlarının kullanıldığı, açık işletme yöntemleriyle yapılmaktadır. Daha az miktarda kil üretimi ise kapalı (yeraltı) işletme yöntemleri ile yapılmaktadır. Özellikle yurdumuzda şiferton üretimi tamamen yeraltı üretim yöntemiyle yapılmaktadır. Gerek açık işletme, gerekse kapalı işletme yöntemlerinde, kil damarı kalınlığına göre makina ve ekipmanlarının yanında emek yoğun bir şekilde üretim yapılmaktadır. Kilin oluşum sırasındaki şartlara bağlı olarak çok kısa mesafede yatay ve dikey değişmeler göstermesi nedeniyle kullanılmadan önce killerin harmanlanması ve homojenleştirilmesi gerekmektedir.
Üretimi yapılan kilin kalitesine bağlı olarak tüvenan olarak kullanıldığı gibi, kullanım amacına göre kilin zenginleştirilmesi, ateş killerinde ve şamotlarda kalsine edilmesi gereklidir.
Üretilen killer kırma işleminden sonra havuzlarda su içerisinde karıştırıcılar yardımıyla çözünür, daha sonra ilkel yıkama, süzme veya hidrosiklonlar vasıtasıyle zenginleştirme işlemine tabi tutulurlar. Filtre preslerden ve kurutuculardan sonra ateş killeri ve şamotlar döner fırın veya dikey fırınlarda sinterleme (kalsine) işlemine tabi tutulurlar.
Bu işlemler ana hammaddelerden biri olan şamot (şamot kili ve şiferton) hammaddesinin sinterlenmesi ile, bağlama kilinin (% 5 rutubete kadar) kurutulması ve öğütülmesini içerir.
Refrakter malzemelerde istenilmeyen en önemli maddelerden biri demirdir. Şiferton hammaddesindeki demir miktarını azaltmak ve mümkün olan en düşük değere indirmek için ön yakma işlemine tabi tutulur. Malzeme 900oC'de ateş zayiatı % 2'nin altına düşürülür ve şifertonun içindeki manyetik olmayan bünye demirlerinin manyetik hale gelmesi sağlanır. Manyetik seperatörlerde demir oksit istenen değere düşürülür. Manyetik seperatörlerden alınan konsantre şiferton sinterlenerek düşük ateş zayiatı ve poroziteye sahip sinter elde edilir.
Ön yakma ve manyetik seperatör ünitelerinde hazırlanan malzemeler yüksek maliyet nedeniyle ekonomik olmaktan çıkmıştır
3.2.1. Tüketim Alanları
Refrakter killer yüksek sıcaklıkta çalışan fırın ve benzeri ünitelerin yapımında veya içinin kaplanmasında kullanılan, sıcaklık altında fiziksel ve kimyasal nitelikte çeşitli aşındırıcı etkilere karşı erimeden ve fiziksel özelliklerini koruyarak dayanabilen refrakter malzemelerden alumina silikat grubunun imalinde kullanılırlar. İSO Uluslararası Standart Teşkilatı tarafından refrakter malzemelerin tanımı şöyle yapılmaktadır. Refrakter (Ateşe dayanıklı) malzemeler, bünyelerinin tamamı metal veya alaşım olmayan ve fakat metalik bir bileşime sahip olabilen ve refrakterliği asgari 1500oC olan malzeme ve mamüllerdir.
Bir diğer tanım ise "Yüksek sıcaklıklara ve bu sıcaklıklarda katı, sıvı ve gazların fiziksel ve kimyasal etkilerine karşı koyabilme özelliğine sahip malzemeler" olarak yapılabilir. Tanımdan da anlaşılacağı üzere kömür sobasından çeşitli ağır sanayii fırınlarına kadar her yerde refrakter malzemelerin kullanımı sözkonusudur. Farklı kullanım yerleri nedeniyle refrakter malzemeden beklenen özellikler de çeşitlenmektedir. Günümüzde refrakter malzeme özellikleri son derece gelişmiş, türleri ve kullanım yerleri artmıştır.
Refrakter malzemeler, İSO Uluslararası Standart Teşkilatı'nca iki grupta incelenmektedir. Buna göre;
a) Şekilli Refrakter Mamüller
-Yüksek Aluminalı Mamüller (Tuğlalar)
-Şamot Tuğlalar
-Düşük Aluminalı ve Silisli Tuğlalar (Sömi-Silika)
-Bazik Tuğlalar (Manyezit, Manyezit-Krom, Krom-Manyezit, Dolomit, Kromit)
-Özel Tuğlalar (Zirkonya, Zirkon, Karbon, Grafit, Silisyum Karbür, Nitrürler, Borürler vb.)
b) Şekilsiz Refrakter Malzemeler
-Dövme Malzemeler
-Dökme Malzemeler
-Örgü Harçları
-Plastik Malzemeler
-Püskürtme Malzemeleri
Ülkemiz refrakter malzeme sanayii kolu bugün 3500-4000'e yakın sayıda işçi, idari, teknik eleman istihdam etmekte ve 2 trilyonu bulan yıllık cirosu ile milli ekonomiye büyük bir katkıda bulunmakta olduğundan bu sanayii dalının ana hammaddeler girdilerinden olan refrakter killerin önemi bu sanayii dalının rakamlarıyla birlikte ifade edilmesi gerekir.
3.3.3. Üretim Yöntemi-Teknoloji
Refrakter kil üretiminde, üst örtü tabakasının iş makinalarıyla kaldırılmasından sonra refrakter killerin üzerinde bulunan seramik ve bağlama killeri yine iş makinaları kullanılarak kil üretimi sağlandıktan sonra bu killeri takibeden kömür üretimi yapılmaktadır. Kömürün altında (genellikle) bulunan refrakter killer genellikle havza kenarlarında teşekkül etmiş olmaları nedeniyle en son olarak üretilmektedirler. Üretimde iş makinaları ağırlıklı olarak çalışılması nedeniyle ince damarların tamamen zayi olması, ocaklarda bazen işletme zayiatı % 30 seviyesine ulaşmaktadır. Çıkarılan killere nadiren elle triyajı yapılmakta, kil içinde bulunan Siderit (Demir nodülleri) ve kömür temizlenmektedir. Ülkemizde refrakter killerde herhangi bir zenginleştirme sözkonusu değildir. Kil üretimi kömür ile birlikte yürütülmesi nedeniyle birim maliyetler değişkendir.
Son yıllarda kurulan bazı kil yıkama tesislerinin, çok yüksek maliyetle üretim yaptıkları, bu yüzden büyük güçlük içinde bulundukları bilinmektedir.
Yurdumuzda yeraltı işletme yöntemiyle çıkartılan şifertonun işçilik ve üretim girdilerinin yüksekliği yanında önyakma ve manyetik işlem sonucunda çok pahalı bir sinter olması sonucunda üretimi durmuştur.
Ocak maliyeti ve nakliyeyi de içeren Filyos Ateş Tuğla Sanayiine ait fiyatları vermek yararlı olacaktır.
3.6. Çevre İle İlgili Sorunlar
Madencilik sektöründe, özellikle açık maden işletmelerinde üst örtü tabakasının kaldırılması (Dekapaj) sırasında doğal örtüye belirli bir zarar verilmesi sözkonusudur. Bunun yanında kaldırılan örtü tabakasının taşınarak pasa döküm sahalarının belirli bir alan işgal etmesi sonucunda belirli bir tahribat sözkonusu olmaktadır. Madenlerin her şeyden önce yurdumuzun doğal kaynakları olması, bu zenginliklerin bir defaya mahsus kullanımı olması nedeniyle en ekonomik bir biçimde değerlendirilmesi ve öncelikle değerlendirilmesi gereklidir. Herşeyden önce doğaya belirli bir tahribat veriliyor olması ilk planda gözükse dahi, madenlerin terkinde iyi bir plan yapılması ile kaybedilen alanlar çok kısa bir sürede daha planlı ve daha güzel olarak topluma kazandırmak mümkün olmaktadır. İstanbul bölgesinde Yeniköy bölgesinde Kutman Madenciliğin daha önce kömür üretimi yapılan alanlarda yaptığı düzenlemeler ve tesis edilen özel orman ile doğaya oldukça güzel bir görünüm kazandırılmıştır. Bunun yanında İstanbul Belediyesi'nin Metal Madencilik firmasına ait kil ocağının çöp imha merkezi haline dönüştürülmesi sonucunda üretime hazır hale getirilen yüzbinlerce ton kilin ziyan olmasına neden olmuştur. İstanbul bölgesinde Yeniköy, Gümüşdere bölgesinde kömür üretimine ağırlık verilmiş olunması nedeniyle çevreden gelen baskılar sonucunda bu bölgelerden yalnızca kömür alınabilmiş, kömürün altında bulunan killer ya çok az ya da hiç alınmadan yeniden üzerlerine pasa dökülmek suretiyle killerin üzeri kapatılmıştır. Bu da milli ekonomiye belirli zarar getirmiştir.
1. GİRİŞ
1.1. Sektöre Giren Malların Tanımı, Sınıflandırılması, Bulunuş Şekli, Uluslararası
Piyasalarda Spesifikasyonları
Genel olarak kil, tanecik büyüklüğü iki mikrondan küçük olan tanelerin çoğunlukta olduğu, ıslatıldığında plastik, pişirildiğinde sürekli sert kalan hidrate alüminyum silikat minerallerinden oluşan bir sistem olarak tanımlanabilir. Kil mineralleri temelde silika, alümina ve suyun oluşturduğu sulu silikatlardır. Ayrıca demir, alkali ve toprak alkalileri farkedilebilir derecede içerirler (Ampian, 1985).
Killer genelde altı gruba ayrılırlar. Bunlar;
1. Kaolin,
2. Bağlama kili,
3. Ateş killeri (şamot),
4. Bentonit,
5. Fuller toprağı,
6. Diğer killer ve şeyl.
Kaolinler tortul ve artık yataklar olarak oluşurlar. Artık kaolin yatakları ana kayacın yerinde altere olması ile oluşurlar. Bununla birlikte refrakter malzeme olarak kullanılanlar genellikle tortul kökenlidirler. Ergime dereceleri 1760oC olup, refrakter malzeme olarak kullanılmaktadırlar (Apaydın, 1981).
Bağlama killeri, sedimanter kökenlidirler. Organik malzemeler, serisit mikalar ve kaolinit içerirler. Genellikle kaolinitten daha ince tane boyuna sahiptirler. Bağlama killeri 1500oC'den daha yüksek sıcaklıklara kadar dayanırlar. Refrakter tuğla yapımında bağlayıcı olarak kullanılırlar.
Yurdumuzda siferton olarak bilinen ateş killeri, detrital bir kil olarak tanımlanırlar. Düşük miktarda demir oksit, kireç, magnezyum ve alkalileri içerirler. 1500oC ve daha yüksek sıcaklıklarda bozunmadan kalabilirler. Kömür damarlarının altında bulunurlar.
Refrakter Killerin Oluşumu: Feldspatça zengin bazik ve andezitik piroklastik kayaçların aşınması ve Neojen lagüner havzalarına taşınması ve depolanması sonucu bağlama kili yatakları teşekkül etmiştir. Lagüner havzaya aynı zamanda ağaç ve bitki artıklarının taşınması ile de linyit seviyeleri oluşmuştur. Kil yataklarındaki ve yataklanma durumundaki düzensizlikler, taşınma esnasındaki mevsimlik tabiat şartları arasındaki değişikliklerden ve lagüner havzalardaki çapraz tabakalanma şartlarından meydana gelmiştir. Havzalara aynı zamanda değişik istikametlerden değişik karakterde malzeme taşınması, havzalarda teşekkül eden killerin yanal ve dikey yönde farklı kalitede olmasına ve kil-kum gibi tedrici geçişli malzemelerin yataklanmasına yol açmıştır.
Şamot kili yatakları ise yerinde (rezidüel) teşekkül etmiş olup ince taneli yeşil renkli volkanik tüflerin üst kısımlarında mercekler halinde meydana gelmiştir. Cevherleşmeyi kontrol eden faktörler olarak;
- Feldspatça zengin andezitik kayaçların mevcudiyeti,
- Ayrışma, aşınma ve taşıma olaylarını meydana getiren olaylar,
- Uygun bir neojen göl havzasının mevcudiyeti,
- Havzada uygun pH ortamını doğuran nedenler,
- Hümüs asidinin varlığı, bu asidin killerin ateşe dayanıklılığını düşüren oksitlerin (Fe2O3, K2O, Na2O, CaO v.b) ortamdan uzaklaştırılmasında etkili olması,
- Havza içerisinde gölsel ortamda meydana gelen çalkantılı ve durgun ortamlar.
Üst seviyede mevcut olan sedimanter menşeli plastik bağlama kili ve kömür yataklarında tabakalanma bariz bir şekilde görüldüğü halde mevzii merceksi olarak teşekkül etmiş olan şamot kili yataklarında hiçbir tabakalanma görülmez, attaki ana kayaç olan volkanik tüflere tedrici olarak geçiş gözlenir.
Feldspatça zengin kayaçların sıcaklık, yüksek basınç ve karbondioksit etkisi ile meydana gelen olaya Kaolinleşme adı verilir.
Feldspatların bünyelerinde bulunan alkali oksitlerin (K2O, Na2O) su ile çözülmesi ile aşağıdaki tepkimeler sonucu geriye kaolinitler kalır.
K2O. Al2O3 . 6 SiO2 + 2 H2O (Hid.) = Al2O3 . 6 SiO2 . H2O + 2 KOH
Al2O3 . 6 SiO2 . H2O (Desilisifikasyon) = Al2O3 . 4 SiO2 + H2O + SiO2
(Pirofillit)
Al2O3 . 6 SiO2 . H2O (Desilisifikasyon) = Al2O3 . 2 SiO2 + H2O + 4 SiO2
Al2O3 . 2 SiO2 . H2O (Hidratasyon) = Al2O3 . 2 SiO2 + 2 H2O
(Kaolinit)
Al2O3.2SiO2.H2O (Desilisifikasyon) = Al2O3.H2O+SiO2 (Diyaspor)
Al2O3 . H2O + H2O (Hidratasyon) = Al2O3 . 2 H2O (Boksit)
Al2O3 . H2O + 2 H2O (Hidratasyon) = Al2O3 . 3 H2O (Gibbsite)
İlk oluştukları yatakta bulunan killer birincil kil, su ile taşınması ve yeniden rezerv oluşturmuş killer ise ikincil kil olarak adlandırılır.
Kil Mineralleri Grupları: Kil mineralleri genellikle 4 grupta incelenir.
1. Kaolinit grubu killer,
2. Smektit grubu killer,
3. İllit grubu killer,
4. Klorit grubu killer.
Kaolinit Grubu Killer : Ana mineral olarak kaolinit (Al2O3 . 2 SiO2 . 2 H2O) içerirler. Doğada saf kaolinit yatakları bulunmaz. Genellikle demiroksit, silisyum oksit, silika türünde mika gibi yabancı maddeler içerirler.
Smektit Grubu Killer : Bu gruba giren killerin mineral yapıları kaolinit gibi aluminyum silikat olmalarına karşılık çok farklı bir görünüm içerisindedirler. Yapılarında magnezyum, kalsiyum, demir, sodyum gibi elementler içerirler. Montmorillonit, saponit, stevensit vb. bu grupta yer alır.
İllit Grubu Killer : Smektit grubu killerden farklı olarak potasyum içermeleridir. Killerin bu grubuna mika grubu da denir. (K2O.3 Al2O3 . 6 SiO2 + 2 H2O = Muskovit)
Klorit Grubu Killer : Bu grup killeri ince taneli ve yeşil renklidirler. Bu grup killer bol miktarda magnezyum, demir (II), demir (III) ve alumina içermektedirler.
Refrakter Killerin Bulunuş Şekli :
-Bağlama Killeri : Genellikle gri renkli bağlama kili ve kahverengi bağlama kili olmak üzere iki tip bağlama kili bulunur.
Gri Bağlama Kili : Gri bağlama kili genellikle taban seviyede Fe2O3 bakımından yüksek olan bir kille temsil edilen gri bağlama kili seviyeleri dikey yönde linyit kömürü ve kum-lekeli kil ardalanmalı, yanal yönde ise kumtaşı ve lekeli killerle geçişler meydana gelmektedir. Fe2O3 oranı % 3-5, Al2O3 oranı % 28-35 arasında değişir. Mekanik mukavemetleri ortalama 25-30 kg/cm3'dür. Tabakalanma yataydır. Plastik bir kildir, 1350oC'de pişme rengi açık tarçın rengindedir. Organik madde azdır, içerisinde bazen ince kömür parçacıkları görülür. Bu da kilde ateş zayiatının artmasına neden olur. SK'sı 28-30, rutubeti % 20-25, ateşte zayiatı % 9-11 arasında değişir.
Kahverengi Bağlama Kili : Kahverengi bağlama kilinin rengi organik maddeden ileri gelir. Organik maddelere bağlı olarak ateşte zayiatı yükselir. Dikey ve yanal yönlerde tedrici geçişlerle kalite değişikliği gösterir. Fe2O3 oranı % 2-3, Al2O3 oranı % 36-41 arasında değişir. Mekanik mukavemeti 30-35 kg/cm3, SK 30-32, ateşte zayiatı % 14-15, rutubet % 25-28 arasında değişir. 1350oC'de pişme rengi açık tarçın rengindedir.
Gerek gri bağlama kili ve gerekse kahverengi bağlama killerinin ana minerali kaolinit kil mineralidir. Ayrıca serbest halde silis, karbonlu madde ve az miktarda alkali bulundururlar.
-Şamot Killeri : Şamot killeri genellikle gri ve açık bej renkli ve yer yer de açık kahverengi renktedir. Plastik olmaması ve suda hemen dağılması ile kolayca tanınır. Ateş zayiatı bünyedeki organik madde ve sudan ileri gelmekte ve Al2O3 içeriğine bağlı olarak değişmektedir. Islak rengi koyu gri olan kil açık renge dönüşmekte ve çok kırılgan olmaktadır. Kuruduğunda parmaklar arasında kolayca ufalanıp dağılmaktadır. Devamlılığı yoktur, yanal ve düşey yönde süreksizlik gösterir.
Şamot killerinin demir oksit ve alkali oksitleri ihtiva etmesi halinde refrakterliğinin (SK) düşmesine neden olur. Şamot kili yataklarındaki ana kil minerali kaolinit (Al2O3 . 2 SiO2 . 2H2O) ve gibsit (Al2O3 . 3 H2O) olup yer yer birlikte bulunurlar.
Refrakter killerde kaliteyi bozan mineraller olarak pirit (linyit tabakalarının içinde disemine halde organik kökenli sekonder oluşum), siderit (şamot killerinin altındaki seviyede mercimek boyutunda saçılmış taneler halinde rastlanan demir karbonattır), organik atıklar, montmorillonitik kil katkıları, alkali bileşikler ve karbonatları sayabiliriz.
Şiferton (Ateş Kili) : Şiferton plastik olmayan, Paleozoyik yaşlı refrakter kildir. Karasal tatlı su göllerinde, durgun sularda teşekkül etmiştir. Alkali ve demir mineralleri bakımından fakir killer refrakter özellikler gösterir. Şiferton hammaddesinde aluminyum oksit ve silisyum oksit mineralleri hakim minerallerdir. Tabiatta şiferton tabakalarına, karbonifer, taş kömürü (genel olarak Westfaliyen-C) damarlarının bazılarının tabanında, bazen aralarında çok az olarak da ince bir seviye halinde üzerinde (tavanında) rastlanılmaktadır. Kömürü teşekkül ettiren Karbonifer bitkilerinden meydana gelen hümüs asitleri tabanda bulunan elverişli killerde bazı kimyasal değişiklikler meydana getirmektedir. Bilindiği gibi hümüs asitleri killerdeki demir minerallerini ve alkali oksitleri kimyasal değişikliğe uğratarak beraberinde daha derinlere götürürler. Asit tesirine daha fazla maruz kalan üst seviyelerde ateşe mukavemet derecesi daha yüksektir. Asit tesirinin azalmasıyla birlikte ateşe mukavemet dereceleri düşer. Hümüs asitlerinin miktarıyla doğru orantılıdır. Ocaklardaki şiferton aynasında iyi kalite A, aynanın tabanına doğru B, sonra C kalite şiferton bulunmasının sebebi budur. Karboniferde mevcut her kömür damarının tabanında şiferton teşekkül etmemiştir. Prodüktif seviye olarak kabul edilen Westfaliyen-C serileri ise genel olarak kömür bakımından prodüktif kabul edilmemektedir. Karbonifer havzasındaki Westfaliyen-C serisinde bulunan kömür damarlarından Çınarlı damarı, Kuru dere damarı gibi isimler şiferton damarları ortaya çıkmıştır.
Şiferton teşekkülü için sularda pH durumunun elverişli olması, etraftan gelen malzemenin kimya bileşimlerinin uygun olması, alkali ve demir bileşiklerinin fakir olması, Al2O3 ve SiO2 . oranının refrakter özellik için belirli yüzdede bulunması gerekir. Taneler çok ince, uzun zaman süspansiyon halinde sularda kalmalı ve yavaş yavaş çökelmelidir. Suların durgun olması, fırtınalı olmaması ve tuzlu olmaması gereklidir. Tuzlu sularda çökelme hızlıdır.
Arzu edilen ekonomik şiferton damarı aşağıda izah edildiği şekilde tabiatta teşekkül etmiş olmalıdır. Tavanda kömür damarı bulunmalıdır. Bu damar oldukça sert olmalı ve tavan basıncını mümkün olduğu kadar karşılayabilmelidir. Şiferton damarı yataya yakın bir şekilde bulunmalıdır.
Şifertonun kalite sınıflaması aşağıda belirtilen şeklindedir;
1- A Kalite Şiferton: (SK 35 veya daha yukarı, rengi siyah, midye kabuğu şeklinde kırılma gösterir. Sert, kaya gibi).
2- B Kalite Şiferton: A kalite şifertonun altında bulunur. SK 34, SK 33 (1730-1755oC) koyu gri renklidir.
3- C Kalite Şiferton: B kalite şifertonun altındadır. SK 32, 31, 30 olup (1695-1710oC) koyu kahverengi renklidir.
4- D Kalite Şiferton: C kalite şifertonun altındadır. SK 29, 28, 27, 26 (1585-1680oC) açık kahverengi, kirli sarı, beyazımsı renktedir.
Yukarıda tavandan tabana doğru dört kaliteye ayırdığımız şiferton damarının tabanında gre seviyesi vardır. Bu damarın kalınlığı 3-4 metre arasında olmalıdır. Kimyasal analiz sonuçlarına göre şiferton hammaddesinde bulunan bileşikler ve yüzdeleri ortalama olarak aşağıda belirtilmiştir.
SiO2 % 40-50
Al2O3 % 25-40
Fe2O3 max % 3
MgO % 0,5-1
CaO % 0,5-1
Bu bileşimde bulunan kil içinde alkali oksitler olmamalıdır.
Killerin endüstride birçok kullanım alanı vardır. Kullanım alanları kilin kimyasal bileşimine bağlı olarak çeşitli sınırlamalar getirmektedir. Genellikle refrakter malzeme olarak kullanılacak killerde, kile refrakterlik özelliği veren alumina miktarının yüksek olması istenir. Alumina içeriğinin artırılması, silis veya demir içeriğinin düşürülmesi ile sağlanabilir. Bunun için killer fiziksel veya gerektiğinde kimyasal zenginleştirme işlemine tabi tutulurlar. Killerin zenginleştirilmesi yaş veya kuru işlemle yapılabilir.
Refrakter Hammadelere Uygulanan İşlemler :
-Refrakter malzemelerin sinterleme sıcaklığına bağlı olarak metalurjik yapısı mevcuttur. Ham haldeki refrakter maddeler seramik bağın oluşturduğu sıcaklıklarda pişirildiğinde genel anlamda sinterleşmiş olurlar. Sinterlemede yapıda istenen faz değişimlerin dolayısıyle mullit oluşumunun tamamlandığı, ısı karşısında oluşabilecek tüm olumsuzlukların bitirildiği, hacimsel değişmeler nedeniyle iç gerilimlere, dolayısiyle deformasyonlara maruz kalacaktır.
-Bağlama Kilinin Kurutulması ve Öğütülmesi : Ham bağlama killeri % 20-25 oranında doğal rutubet ve % 10-15 oranında ateş zayıatına sahiptir. Bu maddelerin gerek tuğla harmanlarında ve gerekse harç harmanlarında kullanılabilmesi için rutubetin indirilmesi ve pişme esnasında gerekli reaksiyonların çok iyi oluşabilmesi için de çok ince olarak öğütülmesi gereklidir.
Şifertonun Zenginleştirilmesi: Refrakter malzemelerde istenmeyen en önemli maddelerden biri Fe2O3'dir. Demiroksit miktarını azaltmak ve mümkün olan en düşük değere indirilebilmesi için Ön Yıkama ve Manyetik Ayırma işlemine tabii tutulması gereklidir. Şiferton hammaddesi önce bir kırma işlemine tabi tutulur ve ön yakma fırınında ateş zayıatı % 2'nin altına düşürülür.Böylece şifertonun içindeki manyetik olmayan demiroksitlerin manyetik hale gelmesi sağlanır. Ön yakılmış şiferton için, manyetik seperatölerde tamburlardaki manyetik alan şiddeti ayarlanarak manyetik seperatörlerde demir oksit ayıklama işlemi yapılmış olur. Manyetik seperatörlerden alınan konsantre şiferton döner fırınlarda sinterlenerek ateş zayıatı % 0,3 seviyesinin altına düşürülür.
2.2.1. Tüketim Alanları, Talep Miktarları
Refrakter killerli ilgili olarak dünya üretimi, tüketimi ve taleplerinin belirlenmesine yarayacak bilgiler kil kapsamındadır.
Refrakter killerin tüketim alanları olarak:
1. Şekilli Tuğlalar-Refrakterler
1.1. Yoğun Tuğlalar
1.1.1.Şamot ve Yüksek Alüminalı Tuğlalar
1.1.1.1. Ağır Hizmet Tuğlaları
1.1.1.2. Genel Hizmet Tuğlaları
1.1.1.3. Hafif Hizmet Tuğlaları
1.1.2. Diğer Tuğlalar (Silika, Porsil)
1.2. Hafif Tuğlalar (İzole Tuğlalar)
1.2.1. Şamot İzole Tuğlaları
1.2.2. Kizelgur İzole Tuğlaları
2. Şekilsiz Refrakterler (Harçlar)
2.1. Örgü Harçları
2.1.1.Yoğun Tuğla Örgü Harçları (Şamot ve Yüksek alumina örgü harçları)
2.1.2. Hafif Tuğla Örgü Harçları (İzole örgü harçları)
2.2. Monolitik Harçlar (Uygulama şekline göre; döküm,dövme,püskürtme ve plastik)
2.2.1. Yoğun Monolitikler (Şamot ve yüksek alümina monolitler)
2.2.2. Hafif Monolitikler (İzole monolitler)
Yoğun tuğlalarda % 46 aluminaya sahip olanlar şamot, % 46 ve daha yüksek aluminaya sahip olanlar ise yüksek aluminalı tuğlalar olarak adlandırılır. Demir çelik sanayiinde yüksek hacim ağırlıklı, sürtünme, kırılma ve curuf atağı mukavemetine sahip olan dolayısıyle ağır şartlarda kullanılacak tuğlalara Ağır Hizmet Tuğlaları, kullanım yeri şartlarının daha hafif olduğu yerlerde Genel Hizmet Tuğlaları, kullanım yeri hafif olan yerlerde Hafif Hizmet Tuğlası adı verilir. İzolasyon tuğlaları izolasyon amaçlıdır ve esas çalışma tuğlaların arkasında kullanılır. Harçlar tuğlaları birbirine bağlayan toz malzemelerdir.
Kullanım Yerleri : Çalışma şartlarının ağır olduğu demir-çelik, çimento, petrokimya sanayiinde ağır hizmet tuğlaları, cam sanayiinde ve kok fırınlarında silika asidik ortamlarda asit tuğlaları diğer çalışma ortamlarında genel hizmet ve hafif hizmet tuğlaları kullanılır.
Killer homojenlik, plastiklik, nem ve kuru mukavemet ile diğer teknolojik özelliklerinin farklılığından dolayı çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Dünya kil üretiminin yaklaşık % 75'i pişirilen ve şekillendirilen seramik ürünlerinin imalatında kullanılmaktadır. Dünya kil üretiminin geriye kalan % 25'i ise killerin özelliklerine göre refrakter sanayiinde, çimento, sondaj çamuru, dolgu ve kaplama malzemesi olarak, temizlik, deterjan, gıda ve ilaç sanayiinde kullanılmaktadır.
Refrakter killer refrakter sanayiinin ana hammaddesini teşkil eder. Kullanımı gittikçe artmakta buna bağlı olarak özellik arzeden yeni kullanım alanları genişlemektedir. Dünyada üretim ve tüketimi özellikler arzetmesi nedeniyle daha çok iç piyasaya yönelik olarak yapılmaktadır. Son yıllarda firmaların kapasite artırımı ve döner fırınlarda sinterleme kapasite artımı sonucunda yurtdışı ithalatları da artmaktadır.
Clays, Mineral Facts and Problems 1985'e göre 1983'de dünya kil kaolen ve bentonit talebi 500 milyon ton olmuştur. Ancak bu killerin büyük bir kısmı refrakter sanayiinin dışında kullanılmaktadır. Geçmiş yıllarda özellikle çelik sanayinin hızla geliştiği yıllarda dünya refrakter tüketimi yılda ortalama % 6 arttığı, gelecekte refrakter kil, şamot yerine daha iyi performans veren kalsine boksit, sentetik mullit, andaluzit, kalsine disten gibi daha yüksek aluminalı hammadde arzında görülen gelişmeler sonucunda refrakter kil talebini etkileyecektir. 1980'li yıllarda ton çelik başına yurdumuzda 36-38 kg refrakter malzeme tüketilirken ithalatın başlaması ile kullanılan yüksek kaliteli sinterler sonucunda 1992 yılında bu rakam ortalama 11 kg refrakter malzeme tüketimine inmiştir. Dünyada bu rakam 8-9 kg refrakter/ton çelik üretimi olarak gerçekleşmektedir.
2.3. Üretim
2.3.1. Üretim Teknolojisi
Dünya kil üretiminin büyük bir kısmı, modern açık işletme ekipmanlarının kullanıldığı, açık işletme yöntemleriyle yapılmaktadır. Daha az miktarda kil üretimi ise kapalı (yeraltı) işletme yöntemleri ile yapılmaktadır. Özellikle yurdumuzda şiferton üretimi tamamen yeraltı üretim yöntemiyle yapılmaktadır. Gerek açık işletme, gerekse kapalı işletme yöntemlerinde, kil damarı kalınlığına göre makina ve ekipmanlarının yanında emek yoğun bir şekilde üretim yapılmaktadır. Kilin oluşum sırasındaki şartlara bağlı olarak çok kısa mesafede yatay ve dikey değişmeler göstermesi nedeniyle kullanılmadan önce killerin harmanlanması ve homojenleştirilmesi gerekmektedir.
Üretimi yapılan kilin kalitesine bağlı olarak tüvenan olarak kullanıldığı gibi, kullanım amacına göre kilin zenginleştirilmesi, ateş killerinde ve şamotlarda kalsine edilmesi gereklidir.
Üretilen killer kırma işleminden sonra havuzlarda su içerisinde karıştırıcılar yardımıyla çözünür, daha sonra ilkel yıkama, süzme veya hidrosiklonlar vasıtasıyle zenginleştirme işlemine tabi tutulurlar. Filtre preslerden ve kurutuculardan sonra ateş killeri ve şamotlar döner fırın veya dikey fırınlarda sinterleme (kalsine) işlemine tabi tutulurlar.
Bu işlemler ana hammaddelerden biri olan şamot (şamot kili ve şiferton) hammaddesinin sinterlenmesi ile, bağlama kilinin (% 5 rutubete kadar) kurutulması ve öğütülmesini içerir.
Refrakter malzemelerde istenilmeyen en önemli maddelerden biri demirdir. Şiferton hammaddesindeki demir miktarını azaltmak ve mümkün olan en düşük değere indirmek için ön yakma işlemine tabi tutulur. Malzeme 900oC'de ateş zayiatı % 2'nin altına düşürülür ve şifertonun içindeki manyetik olmayan bünye demirlerinin manyetik hale gelmesi sağlanır. Manyetik seperatörlerde demir oksit istenen değere düşürülür. Manyetik seperatörlerden alınan konsantre şiferton sinterlenerek düşük ateş zayiatı ve poroziteye sahip sinter elde edilir.
Ön yakma ve manyetik seperatör ünitelerinde hazırlanan malzemeler yüksek maliyet nedeniyle ekonomik olmaktan çıkmıştır
3.2.1. Tüketim Alanları
Refrakter killer yüksek sıcaklıkta çalışan fırın ve benzeri ünitelerin yapımında veya içinin kaplanmasında kullanılan, sıcaklık altında fiziksel ve kimyasal nitelikte çeşitli aşındırıcı etkilere karşı erimeden ve fiziksel özelliklerini koruyarak dayanabilen refrakter malzemelerden alumina silikat grubunun imalinde kullanılırlar. İSO Uluslararası Standart Teşkilatı tarafından refrakter malzemelerin tanımı şöyle yapılmaktadır. Refrakter (Ateşe dayanıklı) malzemeler, bünyelerinin tamamı metal veya alaşım olmayan ve fakat metalik bir bileşime sahip olabilen ve refrakterliği asgari 1500oC olan malzeme ve mamüllerdir.
Bir diğer tanım ise "Yüksek sıcaklıklara ve bu sıcaklıklarda katı, sıvı ve gazların fiziksel ve kimyasal etkilerine karşı koyabilme özelliğine sahip malzemeler" olarak yapılabilir. Tanımdan da anlaşılacağı üzere kömür sobasından çeşitli ağır sanayii fırınlarına kadar her yerde refrakter malzemelerin kullanımı sözkonusudur. Farklı kullanım yerleri nedeniyle refrakter malzemeden beklenen özellikler de çeşitlenmektedir. Günümüzde refrakter malzeme özellikleri son derece gelişmiş, türleri ve kullanım yerleri artmıştır.
Refrakter malzemeler, İSO Uluslararası Standart Teşkilatı'nca iki grupta incelenmektedir. Buna göre;
a) Şekilli Refrakter Mamüller
-Yüksek Aluminalı Mamüller (Tuğlalar)
-Şamot Tuğlalar
-Düşük Aluminalı ve Silisli Tuğlalar (Sömi-Silika)
-Bazik Tuğlalar (Manyezit, Manyezit-Krom, Krom-Manyezit, Dolomit, Kromit)
-Özel Tuğlalar (Zirkonya, Zirkon, Karbon, Grafit, Silisyum Karbür, Nitrürler, Borürler vb.)
b) Şekilsiz Refrakter Malzemeler
-Dövme Malzemeler
-Dökme Malzemeler
-Örgü Harçları
-Plastik Malzemeler
-Püskürtme Malzemeleri
Ülkemiz refrakter malzeme sanayii kolu bugün 3500-4000'e yakın sayıda işçi, idari, teknik eleman istihdam etmekte ve 2 trilyonu bulan yıllık cirosu ile milli ekonomiye büyük bir katkıda bulunmakta olduğundan bu sanayii dalının ana hammaddeler girdilerinden olan refrakter killerin önemi bu sanayii dalının rakamlarıyla birlikte ifade edilmesi gerekir.
3.3.3. Üretim Yöntemi-Teknoloji
Refrakter kil üretiminde, üst örtü tabakasının iş makinalarıyla kaldırılmasından sonra refrakter killerin üzerinde bulunan seramik ve bağlama killeri yine iş makinaları kullanılarak kil üretimi sağlandıktan sonra bu killeri takibeden kömür üretimi yapılmaktadır. Kömürün altında (genellikle) bulunan refrakter killer genellikle havza kenarlarında teşekkül etmiş olmaları nedeniyle en son olarak üretilmektedirler. Üretimde iş makinaları ağırlıklı olarak çalışılması nedeniyle ince damarların tamamen zayi olması, ocaklarda bazen işletme zayiatı % 30 seviyesine ulaşmaktadır. Çıkarılan killere nadiren elle triyajı yapılmakta, kil içinde bulunan Siderit (Demir nodülleri) ve kömür temizlenmektedir. Ülkemizde refrakter killerde herhangi bir zenginleştirme sözkonusu değildir. Kil üretimi kömür ile birlikte yürütülmesi nedeniyle birim maliyetler değişkendir.
Son yıllarda kurulan bazı kil yıkama tesislerinin, çok yüksek maliyetle üretim yaptıkları, bu yüzden büyük güçlük içinde bulundukları bilinmektedir.
Yurdumuzda yeraltı işletme yöntemiyle çıkartılan şifertonun işçilik ve üretim girdilerinin yüksekliği yanında önyakma ve manyetik işlem sonucunda çok pahalı bir sinter olması sonucunda üretimi durmuştur.
Ocak maliyeti ve nakliyeyi de içeren Filyos Ateş Tuğla Sanayiine ait fiyatları vermek yararlı olacaktır.
3.6. Çevre İle İlgili Sorunlar
Madencilik sektöründe, özellikle açık maden işletmelerinde üst örtü tabakasının kaldırılması (Dekapaj) sırasında doğal örtüye belirli bir zarar verilmesi sözkonusudur. Bunun yanında kaldırılan örtü tabakasının taşınarak pasa döküm sahalarının belirli bir alan işgal etmesi sonucunda belirli bir tahribat sözkonusu olmaktadır. Madenlerin her şeyden önce yurdumuzun doğal kaynakları olması, bu zenginliklerin bir defaya mahsus kullanımı olması nedeniyle en ekonomik bir biçimde değerlendirilmesi ve öncelikle değerlendirilmesi gereklidir. Herşeyden önce doğaya belirli bir tahribat veriliyor olması ilk planda gözükse dahi, madenlerin terkinde iyi bir plan yapılması ile kaybedilen alanlar çok kısa bir sürede daha planlı ve daha güzel olarak topluma kazandırmak mümkün olmaktadır. İstanbul bölgesinde Yeniköy bölgesinde Kutman Madenciliğin daha önce kömür üretimi yapılan alanlarda yaptığı düzenlemeler ve tesis edilen özel orman ile doğaya oldukça güzel bir görünüm kazandırılmıştır. Bunun yanında İstanbul Belediyesi'nin Metal Madencilik firmasına ait kil ocağının çöp imha merkezi haline dönüştürülmesi sonucunda üretime hazır hale getirilen yüzbinlerce ton kilin ziyan olmasına neden olmuştur. İstanbul bölgesinde Yeniköy, Gümüşdere bölgesinde kömür üretimine ağırlık verilmiş olunması nedeniyle çevreden gelen baskılar sonucunda bu bölgelerden yalnızca kömür alınabilmiş, kömürün altında bulunan killer ya çok az ya da hiç alınmadan yeniden üzerlerine pasa dökülmek suretiyle killerin üzeri kapatılmıştır. Bu da milli ekonomiye belirli zarar getirmiştir.
KAOLİN
KAOLİN
1. GİRİŞ
1.1. Tanım ve Sınıflandırma
Kaolin hammaddesini oluşturan en önemli mineral Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4) olup alüminyum hidro silikat bileşimli bir kil mineralidir. Kaolin terimi altında çeşitli jenetik modellerle oluşmuş kaolin türleri ve kaolinitik killer yer almaktadır.
Kristal yapılarına göre yapılan kil sınıflandırmalarında, eş boyutlu ve bir yönde uzamış olanlar Kaolinit grubu olarak diğerlerinden ayrılmaktadır.
Oluşum itibariyle, feldspat içeren granitik veya volkanik kayaçların feldspatlarının altere olarak kaolinit mineraline dönüşmesi sonucu kaolinler oluşmaktadır. Ana kayaç içindeki alkali ve toprak alkali iyonların, çözünür tuzlar şeklinde ortamdan uzaklaşması sonucu Al2O3 içerikli sulu silikatça zenginleşen kayaç kaoliniti oluşturur.
K2O.Al2O3.6SiO2+2H2O*Al2O3.6SiO2.H2O+KOH
Al2O3.6SiO2.H2O*Al2O3.2SiO2.H2O+4SiO2
Al2O3.2SiO2+H2O+H2O*Al2O3.2SiO2.2H2O
Kaolinit
Bu oluşum modeline göre altere olan ana kayacın taşınmadan yerinde kalması sonucu kaolinit yatakları oluşur. Ana kayaçların bozunma öncesi taşınıp, taşındıktan sonra depolanması veya bozunma sonucu taşınıp sedimanter yataklarda depolanması sonucu kaolinit bileşimli kil yatakları oluşur. Bu birliktelik literatürde kavram kargaşası yaratmakta olup, bunu verilen sınıflamalarda görmek mümkündür.
1.1.1. Kaolinde Kaliteyi Belirleyen Unsurlar
Ana kayaç olan tüfler veya granitler içinde kaolinleşmeyi sağlayan sular, ana kayaç parçacıkları ile birlikte silikat bünyesinde olan SiO2, K+, Na+, Fe2O3, S, CaO, MgO kısmen orijinal bünyeden uzaklaştırılmakta yada suların tesiri sonucu çeşitli bileşenlere dönüşmektedir.
SiO2, silika, orijinal kayaç bünyesinde belirli kısmı Al2O3 ile birleşerek kaoliniti meydana getirmekte, fazlası ise dışarıya atılmaktadır.
Kaolinleşmeyi sağlayan suların dışarıya atılması sırasında silisin belirli bir kısmı cevherleşme yüzeyinde demirli-silisli şapka şeklinde kabuk halinde kalmaktadır. Dışarıya atılamayanlar ise cevherleşme içinde serbest silis taneleri şeklinde veya kaolinleşme içinde opal (silis) bantları şeklinde kalmaktadır. Kaliteyi belirleyen en önemli unsurlardan olan silislerin bünyeden yoğun olarak atılması halinde kaliteli kaolin cevheri meydana gelmektedir. İçinde serbest silis tanesi olarak kalan kaolinler ise, daha kolay ayrıştırılabildiğinden süzülebilir kaolin niteliği kazanmaktadır.
Fe2O3 : Orijinal kayaç bünyesinde yer alan demirin kaolin içinde olmaması istenilen en önemli kriterden biridir. Ancak kimyasal işlem sırasında demirin belirli bir kısmı kaolinleşme sırasında uzaklaştırılamadan kalmaktadır.
Alkaliler ve Al2O3 : K2O + Na2O, Kaolin oluşunda belirtilen feldspatların bozunması sonucu kaolinleşme olmaktadır. Feldspat K2O.Al2O3.6SiO2 (Potasyum), Na2O.Al2O3.6SiO2 (Albit) ne kadar fazla bozunursa, ortamdan o kadar fazla K2O ve/veya Na2O atılmaktadır. Bunların atılması (ortamdan uzaklaştırılması) ne kadar fazla olursa, kaolinleşmeyi belirleyen Al2O3 oranını o kadar artacaktır.
İdeal Kaolin Bileşimi: Al2O3.2SiO2,2H2O olup kaolinitte;
SiO2 (Silika) % 46.54
Al2O3 (Alüminyum Oksit) % 39.50
H2O (Su) % 13.96
% 100.00
Kaolin içindeki Al2O3 haricindeki diğer bileşenlerin yüksek olması demek, Al2O3 oranının idealden (% 39.50'den) az olması demektir. Bu da kalitesinin daha düşük olması demektir.
SO3 (Kükürt) ve Alunit: Kaolinleşmeyi sağlayan kimyasal işlem sırasında ortamda elementel S varsa; H2SO4+ (Sülfürik Asit) oluşacaktır. Kaolinleşme işleminin olabilmesi için ortamdan uzaklaştırılabilecek madde, alkalilerden K2O olup, bunun çözünmesi sırasında bazen tamamı uzaklaştırılamamakta ve ortamda bir miktar K kalmaktadır. K, ortamda çözünür halde bulunan; Al2O3 2(SO4)3 + H2O * 2 Al (OH)3 + H2SO4 şeklinde çözümü Al+3 suda çözünen Si(OH)4 ile birleşerek kaolinit oluşur. Ortamda K geldiği zaman K mevcut Al2(SO3)3 ile birleşerek alunit KAl(SO4)2.12H2O oluşacaktır. Bu nedenle kaolinin bileşiminde alunit varsa K2O oranı ile SO3 den dolayı ateş zayiatı yüksek çıkmaktadır.
FES2 (Pirit) : Kaolinleşme işlemi sırasında Fe açığa çıkması ve ortamdaki S ile birleşmesi sonucu bazen demir sülfür bileşiği olan piritler saçılmış halde kaolinleşme içinde (daha ziyade taban ve yan kısımlarda) gözükmektedir.
Ortamda K atılımı olması halinde SO4'ün belirli kısmı kalacağı için kaolinlerde alunit olması (maksimum % 0.5'e kadar SO4) normal sayılmakta olup, SO4'ün tamamının ortamdan atılmadığını göstermektedir.
1.1.2. Kil ve Kaolin Sınıflaması
Killer, kimyasal özelliklerine göre çeşitli sınıflamalara ayrılmıştır. Killer, silikat minerali olup, özelliklerine göre de çeşitli sınıflara ayrılırlar. Bu özelliklerin başında kristal yapıları gelmektedir. Kristal yapılarına göre killerin sınıflama tablosu aşağıdadır.
TABLO 1. Killerin kristal yapılarına göre sınıflandırması
Tabaka Grup Cins
2 Tabakalı olanlar Kaolinit Grubu Kaolinit, Dikit
Halloysit
a) Eş boyutlu olanlar
b) Bir yönde uzamış olanlar
3 Tabakalı olanlar Smektit Grubu Montmorillonit
İllit Grubu Bediellit, İllit
Vermikülit Grubu vermiküllit
4 Tabakalı olanlar Klorit Grubu Klorit
Zincir yapısı olanlar Sepiyolit Grubu Sepiyolit Atapulgit
paligorskit
sepiyolit
Kil sınıflama tablosundan anlaşılacağı gibi kaolinit, bir kil minerali olup, 2 tabakalı ve eş boyutlu özelliğinden dolayı diğer kil minerallerinden ayrılmaktadır. Bu ayrılma kristal yapısı dikkate alınarak yapılan bir mineralojik sınıflamadır. Fiziksel özellikleri ve bulunduğu ortam şartı nedeniyle kaolinleşme, orijinal ana kayacın alterasyon (bozunma) işleminin yerinde gerçekleşmesiyle oluşan cevherleşmedir. Yani bir kaolin yatağını bir kil yatağından ayıran en önemli fiziksel faktör, cevherleşme ile orijinal kayacın aynı yerde olmasıdır. Kil yatakları ise taşınarak depolanmış yataklardır. İster kaolin yatağında ister kil yatağında ana mineral kaolinit olması halinde, kaolin olarak sınıflandırılabilir. Kil yatağında orijinal birincil mineralin başka mineral olması halinde kaolinden ayrılarak halloysit, illitik kil, montmorillonitik kil v.s gibi isimlerle orijinal kaynaktan itibaren ayrılmaktadır.
Depolanma farkından dolayı, kaolinleşme ile orijinal mineralleri kaolinitten oluşan kil yatağı arasında kaolinit minerallerinde de bazı küçük farklılıklar olmaktadır. Bunlar;
-kaolinlerdeki mineraller primer olduğu için içindeki yabancı maddelerin kil yatağından daha az olması nedeniyle görünüşleri daha beyaz ve pişme renkleri daha beyazdır.
-primer kaolin yatağı içindeki kaolinit kristalleri kil yatağına göre daha büyük olup, bu farktan dolayı kaolinitik killer daha plastik ve kuru, mukavemetleri daha yüksektir.
-kaolin cevherleşmesi içindeki kristaller özşekillidir. Killerde ise köşelerden kırılmalar olmuş ve boyları daha küçülmüştür (H.Hüseyin Tanışan).
Seramik teknolojisinde yukarıda bahsedilen safsızlıkları oluşturan Fe2O3 (demir), SO3 (kükürt) gibi safsızlıklar kaolinlerin en önemli özelliği olup, bunların renk vermesi (Fe2O3), SO3 (kükürt), seramikte fırın sıcaklıklarında başka kimyasal reaksiyonlara girerek seramiğin bünyesini bozması özelliklerinden dolayı istenmemektedir.
Kaolinit minerali, seramik yapımında ısıtıldığında 200oC'nin altında higroskopik suyunu bırakır. 500-600oC'de kimyasal formüldeki bağıl suyunu bırakarak metakaolinite dönüşür.
Al2O3.2H2O.2SiO2* Al2O3.2SiO2+2H2O+Enerji* Metakaolinit
1000 oC'de metakaolinit mullit ve silise (kristobalit) dönüşür.
3(Al2O3.2SiO2 2H2O) 3Al2O3.2SiO2 + 4SiO2 + 6H2O
Mullit Kristobalit
Seramik yapılmasında 1000oC'de oluşan mullit kristali, kaolinitin tabaka yapısından iğnemsi forma dönüşmesi halidir. Bu hali çok sert, kimyasal tesirlere dayanıklı, mekanik mukavemeti fazla ve elektriği iletmeyen halidir. Mullit oluşumundan açığa çıkan SiO2 'nin bir kısmı birleşerek başka minerallere (wollastonit) dönüşür. Bir kısmı da orijinal bünyede silis olarak kalmaktadır.
1.2. Sektörde Faaliyet Gösteren Önemli Organizasyonlar
Dünya kaolin ticaretinde İngiltere ve ABD'deki şirket ve organizasyonlar, dünya ticeretini yönlendirmektedir. İngiltere ECC şirketi Avrupa ile ABD'deki "The Georgia kaolin Comp. Inc." şirketi, Amerika'daki ticareti yönlendirmektedir. Bu şirketler, dünya kaolin ticareti ve özellikle kağıt sanayi hammaddelerinde büyük söz sahibi şirketlerdir.
2.2.1. Tüketim Alanları
Dünya kaolin tüketiminde parasal ve tonaj değerleri bakımından, birinci sırayı kağıt sanayii almaktadır. Avrupa pazarında kağıt, dolgu maddesi olarak toplam tüketimin % 40'ı, Amerika pazarında ise bu amaçla toplam tüketimin % 80'i kullanılmaktadır.
Özellikle kağıt dolguda Avrupa kaolinle birlikte kalsit te kullanmaktadır. Kuşe-kaplama kağıtta da benzer durum söz konusu olup, özellikle kuşe kağıtta kaolinin kalite bakımından avantaj ve üstünlüğü vardır.
Dünya kağıt tüketiminde, kaolin ve kalsite ikame olarak, TiO2,, talk vb. de kullanılmaktadır. Bunların toplam tüketimleri, belirli yıllarda kaolin tüketimini azaltmakla beraber, bu oran çok büyük boyutlarda olmamaktadır. Ancak dünya kalsit tüketimi, kaolin tüketimini etkileyen en önemli unsurdur.
Seramikte kaolin tüketimi, en çok sıhhı tesisat, porselen ve izalatör sanayiinde olmaktadır. Fayansta tüketim maksimum % 20 dolayındadır.
Son yıllarda seramik sektörü dışında, kaolinin en büyük tüketimi çimento sanayiinde olup, kaolin tüketim oranı tüvenan üretimin % 30'u mertebesine ulaşmaktadır.
Seramik sektörü dışında kaolinin en büyük tüketimi, boya, lastik ve plastik sanayiinde dolgu maddesi olarak kullanılmasıdır.
Tesis türü kaolinler, cam elyafı, kimya sanayi, ilaç sanayi gibi sektörlerde kullanılmaktadır. Ancak kullanım oranlarının düşüklüğüne rağmen mali portresi yüksek tüketimlerdir. Ayrıca fiberglass (cam elyafı) üretiminin giderek arttığı gözlenmiştir. Bu oran ABD kaolin üretiminin % 5'ine ulaşmaktadır (450 000 ton/yıl).
Tablo 3'de dünya kaolin tüketiminin Avrupa ve Amerika pazarlarındaki tüketim alanları gösterilmektedir. Tablo literatürden derlenen veriler ışığında hazırlanmıştır.
TABLO 3. Dünya kullanım alanlarına göre kaolin tüketim oranları
kaolin %
Fayans max % 20
Yerkarosu -
Porselen % 40 - 45
Sıhhi Tesisat % 30 - 40
Kağıt Dolgu Avrupa % 40, Amerika % 80
Kaplama "
Frit Sır % 10
Çimento % 30
2.2.2. Tüketim Miktar ve Değerleri
Dünyanın en büyük kaolin yataklarına sahip olan ABD için, kaolinlerin eyaletlerine göre tüketim ve değerleri ($) ile kaolin çeşitlerine göre tüketim tabloları aşağıdadır.
TABLO 5. Ürün türlerine göre kaolin tüketimi (miktar : 1000 ton, değer 1000 $)
1990 1991
Çeşitleri Miktar Değer Miktar Değer
Yüzen 1 451 84 576 1 142 63 654
Kalsine 1 385 287 792 2 444 290 990
Delamine 1 221 148 420 996 110 997
İşlenmemiş 1 246 17 337 807 12 483
Yıkanmış 3 840 415 740 4 186 443 769
Toplam 9 143 953 866 9 575 921 894
2.3. Üretim
2.3.1. Üretim Yöntemi ve Teknoloji
İngiltere Cornwall yatakları, hidrolik yöntem olan tazyikli su ile üretilmekte, koparılan parçalar doğrudan süzme tesislerine taşınmaktadır.
Diğer büyük yataklarda, genellikle açık işletme yolu ile üretim yapılmaktadır. Kağıt ve seramik kalitesindeki kaolinler, süzme tesislerinden geçirildikten sonra boyutlarına göre ayrılmaktadır. Bunlar genelde sulu değirmenlerde öğütme ve silis ayırma işlemi sağlandıktan sonra, çöktürme tankları ve hidrosilikonlardan geçirilmektedir. Manyetik seperatör ve havalı püskürtücü ile ağartma işlemleri daha ziyade kağıt sanayi için yapılmaktadır. Kurutma işlemi sonrası rutubeti azaltır.
2.3.2. Ürün Standartı
Çeşitli sanayi kollarındaki kullanıma bağlı olarak ürün standartları değişkenlik göstermektedir. Bu değişiklikler, kimyasal bileşim, tane boyu dağılımı ve çeşitli reolojik özellikleri itibariyle olmaktadır. Tablo 6'da belli başlı sektörlere göre aranan ortalama ürün standartları sunulmuştur.
TABLO 6. Çeşitli sektörlere göre kaolinlerde istenen ürün standartları
Kağıt kaolini Çimento
Dolgu Kaplama Porselen 1 2 Seramik
SiO2 48 47 46 - 48
Al2O3 min 35 min 35 min % 30 min % 30 % 28 15 - 30
Fe2O3 max 0.4 max 0.4 max 0.5 max 0.4 max 0.4 max 0.5-1.00
TiO2 max 0.05 max 0.05 max 0.1
CaO 0.2 0.1 0.2
MgO 0.2 0.1 0.5
K2O 1.5 0.5 1 - 1.5
Na2O 0.2 0.2 0.1 - 0.3
SO3 max % 1 max % 1 Eser max % 1 max % 1 max % 0.2
A.Z. % 12 - 13 % 12 - 13 % 11 - 13
-2 mikron % 60 % 80 -5 cm -5 cm
+10 mikron max % 10 max % 2 -10 cm -10 cm
+50 mikron max % 0.1 max % 0.05
Beyazlık min % 80 min % 85
Aşındırma 30 50
Viskozite 68 - 70 68 - 70
TABLO 7. Dünya kaolin üretim kapasiteleri (1000 ton)
Ülke 1988 1993
Cezayir 20 20
Angola - 150
Arjantin 140 140
Avustralya 240 250
Avusturya 109 109
Bangladeş 14 14
Belçika 73 73
Brezilya 820 1 320
Bulgaristan 300 300
Brundi 6 6
Kanada - 150
Şili 55 55
Çin 500 500
Kolombiya 30 30
Çekoslovakya 730 730
Danimarka 25 25
Ekvator 3 3
Mısır 145 145
Etyopya 55 55
Fransa 500 500
Doğu Almanya 180 180
Ülke 1988 1993
Batı Almanya 635 635
Yunanistan 300 300
GuAtemela 5 5
Hong Kong 10 10
Macaristan 40 40
Hindistan 750 750
Endonezya 145 145
İran 120 120
İsrail 30 30
İtalya 100 100
Japonya 230 230
Ürdün 30 30
Kenya 10 10
Güney Kore 910 910
Madagaskar 6 6
Malezya 115 115
Meksika 270 270
Mozanbik 1 1
Yeni Zelenda 50 50
Nijerya 20 20
Pakistan 45 45
Paraguay 70 70
Peru 10 10
Polonya 80 80
Portekiz 120 120
Romanya 450 450
Güney Afrika 200 200
İspanya 450 450
Srilanka 11 11
İsveç 1 1
Tayvan 110 110
Tanzanya 2 32
Tayland 270 270
Türkiye 230 230
Ülke 1988 1993
İngiltere 3 630 3 630
Amerika 9 100 9 100
Rusya 3 100 3 100
Venezuella 27 270
Vietnam 1 1
Yugoslavya 270 270
Zambia 1 1
Filipinler 20 20
Toplam 25 920 27 003
Kaynak : Industrial Minerals, çeşitli sayıları
2.5. Çevre Sorunları
Dünyada üretim yapan kaolin ocaklarında çevre problemi yoktur. Kaolin ocaklarında işletme izni alınmadan önce, çevre faktörü dikkate alınarak, alınması gerekli önlemler konusu madenciye bildirildikten sonra çalışma müsaadesi verilmektedir. Ocaklar genelde açık işletme olup, büyük bir çevre sorunu yaratmamaktadır.
Çevre sorunları ile ilgili en önemli konu, kaolin yıkama ve öğütme tesisleridir. Bunlarda tesisi artığı ve toz halindeki kuvars zaman zaman problem teşkil edebilmektedir. Tesislerde toz tutma sistemleri olmadan çalışma izni verilmemektedir. Yıkama suları havuzlarda dinlendirilmekte ve genellikle kapalı devre olarak çalışılmaktadır. Dünyada kaolin üzerine çalışan ocaklar ve tesislerde çevreyi etkileyecek büyük bir problem olmayıp, çevreyi etkileyecek konulardaki problemler için gerekli önlemler alınmıştır.
3. TÜRKİYE'DE DURUM
3.1. Ürünün Türkiye'de Bulunuş Şekilleri
Tanım ve sınıflandırma bölümünde belirtildiği gibi kaolinit bir kil mineralidir. Ancak dünya ve Türkiye'de, kaolin oluşum itibariyle kilden ayrı olup Türkiye'deki kaolin yatakları ve kaolin işletmeleri de killerden ayrılmıştır. Türkiye'deki kaolin yataklarının hemen hepsi hidrotermal kökenli yataklardır. Balıkesir-Sındırgı, volkano sedimanter bir yatak olup, daha sonra hidrotermal alterasyona uğramıştır. Türkiye kaolin ocakları ve rezervleri bilgilerinde, kil ve kaolinler ayrı ayrı değerlendirilmiş olup, rezervler bölümünde verilen kaolin rezervlerinin hepsi bu bölümde bahsedilen yataklanmalar olarak değerlendirilmelidir.
3.2. Rezervler
Türkiye'de arama yapan en büyük kuruluş olan M.T.A Genel Müdürlüğünün, yapmış olduğu çalışmalara göre Türkiye kaolin rezervi 100 milyon tonun üzerindedir. Bu da küçümsenmeyecek bir rakamdır. Bu çalışmalar ayrıntılı çalışmalardır. Tabloda rezervler olarak, bölgelerin genel potansiyelini gösteren rezerv ile işletilebilir rezervler miktarı 36 milyon ton civarında olup, bu rakamlar da Türkiye için yeterli miktardır. Rezerv içerisinde en büyük bölge, BalıkesirSındırgı-Düvertepe bölgesi olup, bu bölge içerisinde en büyük rezervlere Söğüt Madencilik A.Ş. sahiptir. Rezerv tablosunda ayrıca kullanım alanları ve tahmini kaliteleri de belirtilmiştir.
Türkiye kaolin yatakları, genellikle hidrotermal kökenli kaolin yataklarıdır. Yani ABD'deki Georgia kaolin yatağı gibi bir yatak Türkiye'de mevcut değildir.
DPT ve MTA Genel Müdürlüğü tarafından yapılan çalışmalara göre, Türkiye kaolin rezervi 100 milyon ton civarında belirtilmektedir. Ancak işletmeye elverişli rakamlar bu kadar değildir. Söz konusu araştırmalar, bölgesel çalışma yaparak toplam potansiyelleri ortaya koymuştur. Gerek işletici kuruluşların yapmış olduğu çalışmalar, gerekse tarafımızca yapılan değerlendirmeler tablo-14'de mukayeseli olarak verilmektedir.
Tabloda görüleceği gibi 100 milyon tonluk rezerv, MTA'nın bugüne kadar yapmış olduğu çalışmaların sonucuna göre verilen rezervdir. Tablo yanında işletilebilir-görünür olarak verilen rezerv ise tarafımızca bugüne kadar yapılan çalışmalar sonucu işletilebilir olarak verilen rezervlerdir. Bu rezerv ise 35 milyon ton civarındadır.
TABLO 15. Türkiye kaolin yatakları, tenör, kullanım alanları ve rezervleri
Bulunduğu Yerler %
Al2O3
Kullanım Alanı Rezerv
(Gör+Muh) (Ton) İşletilebilir R. Görünür
(Ton)
Balıkesir-Sındırgı 13-33 İnce seramik,karo,
refrakter,kağıt
70,000,000
25,000,000
Balıkesir-Ayvalık 15-32 Seramik ve karo fayans 1,000,000 500,000
Balıkesir-İvrindi 20-31 İnce ser. ve karo fay. 970,000 500,000
Balıkesir-Gönen 23-28 Seramik 150,000 50,000
Çanakkale-Çan 17-35 Seramik ve refrakter 5,000,000 2,000,000
Bursa-Kemalpaşa 20-24 Kağıt 1,000,000 1,000,000
İstanbul-Arnavutköy 15-35 Refrakter 800,000 -
78,920,000 29,050,000
Eskişehir-Mihalıççık 20-33 Seramik ve karo fayans 3,330,380 1,000,000
Bilecik-Söğüt 15-23 Seramik 1,000,000 500,000
Kütahya-Gevrekseydi 20-24 Kağıt 724,924 200,000
Kütahya-Altıntaş 20-31 Ser.,karo,fayans,kağıt 1,206,000 500,000
Kütahya-Emet 20-30 Seramik,karo,fayans 1,070,286 100,000
Kütahya-Simav 20-24 Seramik,karo,fayans 370,000 50,000
Uşak-Karaçayır 11-21 Seramik,karo,fayans 800,000 500,000
8,501,590 2,850,000
Kayseri-Felahiye 23-34 Seramik ve refrakter 450,000 20,000
Konya-Sağlık 15-30 Karo fayans ve seramik 607,000 100,000
Nevşehir-Avanos 18-33 Ser.,elekro pors.,karo 1,277,000 100,000
Niğde-Aksaray 15-32 Karo, fayans ve kağıt 1,500,000 1,000,000
3,834,000 1,220,000
Trabzon-Araklı,Arsin 14-23 Karo, fayans 200,000 50,000
Rize-Ardeşen,Fındıklı 14-23 Karo, fayans 275,000 50,000
Giresun-Bulancak 12-24 Karo, fayans 7,785,000 2,000,000
Ordu-Ulubey 17-23 Kağıt 730,000 100,000
Diğerleri 700,000
8,990,000 2,900,000
GENEL TOPLAM 100,245,590 36,020,000
3.3. Tüketim
3.3.1. Tüketim Alanları
Türkiye'de üretilen kaolinlerin % 80'i çimento sektöründe, % 20'si seramik, cam, kağıt ve diğer sektörlerde tüketilmektedir. Bu da Türkiye'de üretilen kaolinlerin ham olarak tüketildiğini göstermektedir. Giriş bölümlerinde bahsedildiği üzere, Avrupa ve Amerika'da üretilen kaolinlerin % 80'i kağıt sektöründe tüketilmektedir. Avrupa ve Amerika'da kağıt ve kaolin endüstrisi çok gelişmiş olup, ham olarak üretilen kaolinlerin % 75'i kağıt ve ince seramiğe hitap edilmek üzere tesislerde kullanılmaktadır.
TABLO 16. Türkiye kaolinlerinin tüketim alanları tablosu
Çimento Sektörü % 60
Seramik ve Cam Sektörü % 30
Dolgu-Lastik-Boya v.s. % 10
Gelişmiş ülkelerde üretilen kaolinlerin % 75'i kağıt sektöründe tüketildiği gözönünde bulundurulursa, Türkiye kağıt sanayiinin tam gelişmediği ve Türkiye'de kağıt sanayiine hitap edebilen (özellikle kaplama) kaolinlerin üretilemediği ortaya çıkmaktadır. Türkiye'deki mevcut tesislerden ancak kağıt dolgu kaolinleri elde edilebilmekte olup, kaplama kaolinleri ithal edilmektedir.
Kaolin cevherleşmesi içinde % miktarlarına göre olan safsızlıklar, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, K2O, Na2O ve A.Z. (Ateş zaiyatı) olup, bileşim analizinde bu oranların toplamı % 10'dur. İçindeki bu bileşenlerin çokluğu veya azlığı, bu minerallerin şekli, bulunuş biçimi (bağımlı-serbest) gibi özellikleri sınıflamasında rol oynamaktadır.
Dünyada bazı kil yataklarının ana mineralinin kaolinit olması nedeni ile, literatürdeki bilgiler kil ve kaolin olarak da beraber verilmekte olup, dünya bilgileri ile mukayesesinde çelişkili rakamlar çıkmaktadır. Bu nedenle mevcut sıhhatli bilgi ayırımı yapıldıktan sonra, mukayese yapmak daha doğru olacaktır.
Kaolinin fiziksel özelliklerine göre kullanım yerlerinin değişmesi nedeni ile;
- Seramik kaolini
- Porselen kaolini
- Fayans kaolini
- Çimento kaolini
- Kağıt Dolgu kaolini
- Kağıt Kaplama kaolini
- Demirli kaolin
- Silisli kaolin
- Plastik kaolin
- Refrakter kaolin
- Alunitli kaolin
gibi sınıflamalara ayırmak mümkündür.
Bu ayırımın yapılmasında en önemli özellik kimyasal ve özellikle fiziksel özelliğine göre kullanım yerinin belirlenmesidir.
Bu özelliklerinin belirlenmesi için çeşitli test ve teknolojik çalışmaların yapılıp, kullanım özelliğinin en uygun şeklinin belirlenmesi gerekmektedir.
Örneğin, kağıt kaolini dolgu veya kaplama kağıt özelliği için süzülebilirlik deneyleri sonrası beyazlığı, tane inceliği, içindeki ayrılabilir serbest silislerin % miktarı, kağıttaki aşındırma özellikleri, sıvı (yağ) emme özelliği gibi kriterlere bakılarak karar verilmektedir.
3.4. Üretim
3.4.1. Üretim Yönetimi ve Teknoloji
Türkiye'de bulunan kaolin ocaklarında açık işletme ile üretim yapılmaktadır. Geçmiş plan döneminde işçilikle yapılan üretimler, talebin artması sonucu iş makinaları ile yapılmaktadır. Sert kaolin ocaklarında patlayıcı kullanılmaktadır. Sektörün ihtiyacına göre özellikle Fe2O3 elle seçilmektedir. Ocaklarda 5-10 cm kırıcılar bulunmakta olup, yurtiçi ve ihracat 5-10 cm boyutlarında yapılmaktadır.
Seramik sektörünün ihtiyacı olan masse kaolinleri, tüvenan veya 5-10 cm boyutlarında tüketilmektedir. Seramik fabrikalarının bazılarında, kaolin yıkama-süzme tesisi bulunmakta olup, bu tesislerden elde edilen süzülmüş kaolinler ancak kendi ihtiyaçlarını karşılamaktadır.
Türkiye seramik ve kağıt sanayiinin istediği türde piyasaya kaolin sürebilen; Hisarsan ve Kadoksan firmaları, piyasanın istediği türde kaolinleri tesislerinde tam hazırlayamamakta veya tüvenan olarak istenilen kaolinleri bulamadığından dolayı kağıt ve seramik sektöründe ikhalat yapılmaktadır. Frit ve sır imalatında uygun kaolinler ile kağıt sanayiinin özellikle kuşe kağıtta kullandığı kaolinler, mevcut teknoloji ile elde edilemediği için ithalat yapılmaktadır. Türkiye'de mevcut tesislerde elde edilen süzülmüş kaolinler kağıt sanayiinde kullanılan dolgu maddesi vasıfında Türkiye'deki bu tesislerden elde edilen kaolinler dolguda kullanılmaktadır. Türkiye'de bu tür tesisler konusunda büyük bir boşluk olup, kağıt ve seramik sektöründe yıkanmış kaolin ihtiyacına yönelik yeni tesislerin kurulması beklenmektedir.
3.4.2. Ürün Standardı
Türkiye'de tüketilen sektörler açısından kullanılan kaolinlerin kimyasal, fiziksel özelliklerine göre, ürün standartları tablo halinde hazırlanmış olup, dünyadaki ürün standartları ve tüketilen kaolinler arasında ürün standartları bakımından büyük bir fark yoktur. Fabrikalar üretim reçetelerine göre değişik Al2O3, Fe2O3, SO3, TiO2 li hammadde kullanırlar. Bu kriterlere ve reçetelere göre, kullanım oranları da farklıdır. Ancak fabrikaların kullanıldığı diğer hammaddelerin fiziksel özellikleri kimyasal özelliklerinden daha büyük bir önem kazanmaktadır.
Kağıt, porselen, sıhhi tesisat gibi kullanım yerlerinde beyazlık, serbest silis, aşındırma gibi fiziksel özellikler daha da büyük önemi olduğu için tüketici kuruluşlar aldıkları kaolinlerin kimyasal analiz standartlarından çok, bu tür fiziksel özelliklerine bakmaktadır. Sektörlere göre ürün standartlarını gösterebilen bir tablo hazırlanmış olup, tüm tüketici kuruluşların ortalamaları bu standartlar içerisinde kalmaktadır.
TABLO 18. Türkiye kaolin ürün standartları
Kağıt Çimento
Fayans Elektro Porselen Porselen Frit
kaolini Dolgu Kaplama 1 2
SiO2 (%) 55-80 55-60 58-65 58-78 44-46 50-60 78-80 57-60
Al2O3 13-25 28-30 24-32 15-28 30-35 30-35 13-18 26-28
Fe2O3 max 1.0 max 0.6 max 0.6 max 0.3 max 0.4 max 0.4 max 0.4 max 0.4
TiO2 max 0.5 max 0.5 max 0.5 - max 0.4 max 0.4 max 0.5 max 0.5
CaO max 1.0 - - - - - max 1 max 1
MgO max 1.0 - - - - - max 1 max 1
Na2O max 1.0 max 0.10 max 0.2 - - max 1.0 max 1 max 1
K2O max 1.0 max 0.10 max 0.2 - max 2.00 max 1.0 max 1 max 1
SO3 max 0.5 max 0.30 max 0.1 max 0.2 1-5.0 1-5.0 max 1 max 1
A.Z. 5-10 7-9 8-12 5-12 10-14 10-14 5-7 9-11
Beyazlık - min % 85 min % 89 - min % 80 min % 85 - -
Tane Boyu
2 mikrondan
5 mikrondan
-
-
-
-
-
-
-
-
% 30-35
% 35-45 min % 80
10 mikron
% 0.3
-
-
-
-
Serbest silis - - - - max % 8 max %0.4 A.Z. A.Z.
Cr2O3 - - - - - - max 90
ppm max 80
ppm
Aşındırma - - - - max 30 mg max 5 mg - -
Cins ham
kaolin ham ve
tesis ham ve
tesis ham ve
tesis tesis tesis ham ham
3.5. Çevre Sorunları
Diğer hammaddeler ve diğer seramik hammaddelerinde olduğu gibi kaolin madenciliğinde de, Çevre Bakanlığı'nın yayınladığı ÇED Yönetmeliği çerçevesinde madencileri ilgilendiren büyük problemler vardır. ÇED Yönetmeliği çerçevesinde Bakanlıktan izin almak hem çok zordur, hem de kimden, nasıl izin alınacağı, çevre kurullarının nasıl ve kimlerden oluşacağı, Çevre Bakanlığı izni ile ormanlık alanlarda orman çalışma izinlerinde kargaşa ve zorluklar vardır.
Çevre konusunda metalik madenler ve tesisler kadar çevreye zararı olmayan kaolin ocakları için istenilen belge ve bilgiler arasında fark olmaktadır. 7. Plan döneminde Enerji Bakanlığı ve Çevre Bakanlığı işbirliği ile bu kanunun çözümlenmesi beklenmektedir.
Kaolin öğüten ve kaolin yıkayan tesislerde silisten ve SiO2'den kaynaklanan tozlanmalar olabilmektedir. Çevreyi kirletici boyutta olmamakla birlikte, insan sağlığı açısından toz tutma tertibatının devreye alınması, sonucu büyük bir çevre sorunu yaşanmamaktadır.
1. GİRİŞ
1.1. Tanım ve Sınıflandırma
Kaolin hammaddesini oluşturan en önemli mineral Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4) olup alüminyum hidro silikat bileşimli bir kil mineralidir. Kaolin terimi altında çeşitli jenetik modellerle oluşmuş kaolin türleri ve kaolinitik killer yer almaktadır.
Kristal yapılarına göre yapılan kil sınıflandırmalarında, eş boyutlu ve bir yönde uzamış olanlar Kaolinit grubu olarak diğerlerinden ayrılmaktadır.
Oluşum itibariyle, feldspat içeren granitik veya volkanik kayaçların feldspatlarının altere olarak kaolinit mineraline dönüşmesi sonucu kaolinler oluşmaktadır. Ana kayaç içindeki alkali ve toprak alkali iyonların, çözünür tuzlar şeklinde ortamdan uzaklaşması sonucu Al2O3 içerikli sulu silikatça zenginleşen kayaç kaoliniti oluşturur.
K2O.Al2O3.6SiO2+2H2O*Al2O3.6SiO2.H2O+KOH
Al2O3.6SiO2.H2O*Al2O3.2SiO2.H2O+4SiO2
Al2O3.2SiO2+H2O+H2O*Al2O3.2SiO2.2H2O
Kaolinit
Bu oluşum modeline göre altere olan ana kayacın taşınmadan yerinde kalması sonucu kaolinit yatakları oluşur. Ana kayaçların bozunma öncesi taşınıp, taşındıktan sonra depolanması veya bozunma sonucu taşınıp sedimanter yataklarda depolanması sonucu kaolinit bileşimli kil yatakları oluşur. Bu birliktelik literatürde kavram kargaşası yaratmakta olup, bunu verilen sınıflamalarda görmek mümkündür.
1.1.1. Kaolinde Kaliteyi Belirleyen Unsurlar
Ana kayaç olan tüfler veya granitler içinde kaolinleşmeyi sağlayan sular, ana kayaç parçacıkları ile birlikte silikat bünyesinde olan SiO2, K+, Na+, Fe2O3, S, CaO, MgO kısmen orijinal bünyeden uzaklaştırılmakta yada suların tesiri sonucu çeşitli bileşenlere dönüşmektedir.
SiO2, silika, orijinal kayaç bünyesinde belirli kısmı Al2O3 ile birleşerek kaoliniti meydana getirmekte, fazlası ise dışarıya atılmaktadır.
Kaolinleşmeyi sağlayan suların dışarıya atılması sırasında silisin belirli bir kısmı cevherleşme yüzeyinde demirli-silisli şapka şeklinde kabuk halinde kalmaktadır. Dışarıya atılamayanlar ise cevherleşme içinde serbest silis taneleri şeklinde veya kaolinleşme içinde opal (silis) bantları şeklinde kalmaktadır. Kaliteyi belirleyen en önemli unsurlardan olan silislerin bünyeden yoğun olarak atılması halinde kaliteli kaolin cevheri meydana gelmektedir. İçinde serbest silis tanesi olarak kalan kaolinler ise, daha kolay ayrıştırılabildiğinden süzülebilir kaolin niteliği kazanmaktadır.
Fe2O3 : Orijinal kayaç bünyesinde yer alan demirin kaolin içinde olmaması istenilen en önemli kriterden biridir. Ancak kimyasal işlem sırasında demirin belirli bir kısmı kaolinleşme sırasında uzaklaştırılamadan kalmaktadır.
Alkaliler ve Al2O3 : K2O + Na2O, Kaolin oluşunda belirtilen feldspatların bozunması sonucu kaolinleşme olmaktadır. Feldspat K2O.Al2O3.6SiO2 (Potasyum), Na2O.Al2O3.6SiO2 (Albit) ne kadar fazla bozunursa, ortamdan o kadar fazla K2O ve/veya Na2O atılmaktadır. Bunların atılması (ortamdan uzaklaştırılması) ne kadar fazla olursa, kaolinleşmeyi belirleyen Al2O3 oranını o kadar artacaktır.
İdeal Kaolin Bileşimi: Al2O3.2SiO2,2H2O olup kaolinitte;
SiO2 (Silika) % 46.54
Al2O3 (Alüminyum Oksit) % 39.50
H2O (Su) % 13.96
% 100.00
Kaolin içindeki Al2O3 haricindeki diğer bileşenlerin yüksek olması demek, Al2O3 oranının idealden (% 39.50'den) az olması demektir. Bu da kalitesinin daha düşük olması demektir.
SO3 (Kükürt) ve Alunit: Kaolinleşmeyi sağlayan kimyasal işlem sırasında ortamda elementel S varsa; H2SO4+ (Sülfürik Asit) oluşacaktır. Kaolinleşme işleminin olabilmesi için ortamdan uzaklaştırılabilecek madde, alkalilerden K2O olup, bunun çözünmesi sırasında bazen tamamı uzaklaştırılamamakta ve ortamda bir miktar K kalmaktadır. K, ortamda çözünür halde bulunan; Al2O3 2(SO4)3 + H2O * 2 Al (OH)3 + H2SO4 şeklinde çözümü Al+3 suda çözünen Si(OH)4 ile birleşerek kaolinit oluşur. Ortamda K geldiği zaman K mevcut Al2(SO3)3 ile birleşerek alunit KAl(SO4)2.12H2O oluşacaktır. Bu nedenle kaolinin bileşiminde alunit varsa K2O oranı ile SO3 den dolayı ateş zayiatı yüksek çıkmaktadır.
FES2 (Pirit) : Kaolinleşme işlemi sırasında Fe açığa çıkması ve ortamdaki S ile birleşmesi sonucu bazen demir sülfür bileşiği olan piritler saçılmış halde kaolinleşme içinde (daha ziyade taban ve yan kısımlarda) gözükmektedir.
Ortamda K atılımı olması halinde SO4'ün belirli kısmı kalacağı için kaolinlerde alunit olması (maksimum % 0.5'e kadar SO4) normal sayılmakta olup, SO4'ün tamamının ortamdan atılmadığını göstermektedir.
1.1.2. Kil ve Kaolin Sınıflaması
Killer, kimyasal özelliklerine göre çeşitli sınıflamalara ayrılmıştır. Killer, silikat minerali olup, özelliklerine göre de çeşitli sınıflara ayrılırlar. Bu özelliklerin başında kristal yapıları gelmektedir. Kristal yapılarına göre killerin sınıflama tablosu aşağıdadır.
TABLO 1. Killerin kristal yapılarına göre sınıflandırması
Tabaka Grup Cins
2 Tabakalı olanlar Kaolinit Grubu Kaolinit, Dikit
Halloysit
a) Eş boyutlu olanlar
b) Bir yönde uzamış olanlar
3 Tabakalı olanlar Smektit Grubu Montmorillonit
İllit Grubu Bediellit, İllit
Vermikülit Grubu vermiküllit
4 Tabakalı olanlar Klorit Grubu Klorit
Zincir yapısı olanlar Sepiyolit Grubu Sepiyolit Atapulgit
paligorskit
sepiyolit
Kil sınıflama tablosundan anlaşılacağı gibi kaolinit, bir kil minerali olup, 2 tabakalı ve eş boyutlu özelliğinden dolayı diğer kil minerallerinden ayrılmaktadır. Bu ayrılma kristal yapısı dikkate alınarak yapılan bir mineralojik sınıflamadır. Fiziksel özellikleri ve bulunduğu ortam şartı nedeniyle kaolinleşme, orijinal ana kayacın alterasyon (bozunma) işleminin yerinde gerçekleşmesiyle oluşan cevherleşmedir. Yani bir kaolin yatağını bir kil yatağından ayıran en önemli fiziksel faktör, cevherleşme ile orijinal kayacın aynı yerde olmasıdır. Kil yatakları ise taşınarak depolanmış yataklardır. İster kaolin yatağında ister kil yatağında ana mineral kaolinit olması halinde, kaolin olarak sınıflandırılabilir. Kil yatağında orijinal birincil mineralin başka mineral olması halinde kaolinden ayrılarak halloysit, illitik kil, montmorillonitik kil v.s gibi isimlerle orijinal kaynaktan itibaren ayrılmaktadır.
Depolanma farkından dolayı, kaolinleşme ile orijinal mineralleri kaolinitten oluşan kil yatağı arasında kaolinit minerallerinde de bazı küçük farklılıklar olmaktadır. Bunlar;
-kaolinlerdeki mineraller primer olduğu için içindeki yabancı maddelerin kil yatağından daha az olması nedeniyle görünüşleri daha beyaz ve pişme renkleri daha beyazdır.
-primer kaolin yatağı içindeki kaolinit kristalleri kil yatağına göre daha büyük olup, bu farktan dolayı kaolinitik killer daha plastik ve kuru, mukavemetleri daha yüksektir.
-kaolin cevherleşmesi içindeki kristaller özşekillidir. Killerde ise köşelerden kırılmalar olmuş ve boyları daha küçülmüştür (H.Hüseyin Tanışan).
Seramik teknolojisinde yukarıda bahsedilen safsızlıkları oluşturan Fe2O3 (demir), SO3 (kükürt) gibi safsızlıklar kaolinlerin en önemli özelliği olup, bunların renk vermesi (Fe2O3), SO3 (kükürt), seramikte fırın sıcaklıklarında başka kimyasal reaksiyonlara girerek seramiğin bünyesini bozması özelliklerinden dolayı istenmemektedir.
Kaolinit minerali, seramik yapımında ısıtıldığında 200oC'nin altında higroskopik suyunu bırakır. 500-600oC'de kimyasal formüldeki bağıl suyunu bırakarak metakaolinite dönüşür.
Al2O3.2H2O.2SiO2* Al2O3.2SiO2+2H2O+Enerji* Metakaolinit
1000 oC'de metakaolinit mullit ve silise (kristobalit) dönüşür.
3(Al2O3.2SiO2 2H2O) 3Al2O3.2SiO2 + 4SiO2 + 6H2O
Mullit Kristobalit
Seramik yapılmasında 1000oC'de oluşan mullit kristali, kaolinitin tabaka yapısından iğnemsi forma dönüşmesi halidir. Bu hali çok sert, kimyasal tesirlere dayanıklı, mekanik mukavemeti fazla ve elektriği iletmeyen halidir. Mullit oluşumundan açığa çıkan SiO2 'nin bir kısmı birleşerek başka minerallere (wollastonit) dönüşür. Bir kısmı da orijinal bünyede silis olarak kalmaktadır.
1.2. Sektörde Faaliyet Gösteren Önemli Organizasyonlar
Dünya kaolin ticaretinde İngiltere ve ABD'deki şirket ve organizasyonlar, dünya ticeretini yönlendirmektedir. İngiltere ECC şirketi Avrupa ile ABD'deki "The Georgia kaolin Comp. Inc." şirketi, Amerika'daki ticareti yönlendirmektedir. Bu şirketler, dünya kaolin ticareti ve özellikle kağıt sanayi hammaddelerinde büyük söz sahibi şirketlerdir.
2.2.1. Tüketim Alanları
Dünya kaolin tüketiminde parasal ve tonaj değerleri bakımından, birinci sırayı kağıt sanayii almaktadır. Avrupa pazarında kağıt, dolgu maddesi olarak toplam tüketimin % 40'ı, Amerika pazarında ise bu amaçla toplam tüketimin % 80'i kullanılmaktadır.
Özellikle kağıt dolguda Avrupa kaolinle birlikte kalsit te kullanmaktadır. Kuşe-kaplama kağıtta da benzer durum söz konusu olup, özellikle kuşe kağıtta kaolinin kalite bakımından avantaj ve üstünlüğü vardır.
Dünya kağıt tüketiminde, kaolin ve kalsite ikame olarak, TiO2,, talk vb. de kullanılmaktadır. Bunların toplam tüketimleri, belirli yıllarda kaolin tüketimini azaltmakla beraber, bu oran çok büyük boyutlarda olmamaktadır. Ancak dünya kalsit tüketimi, kaolin tüketimini etkileyen en önemli unsurdur.
Seramikte kaolin tüketimi, en çok sıhhı tesisat, porselen ve izalatör sanayiinde olmaktadır. Fayansta tüketim maksimum % 20 dolayındadır.
Son yıllarda seramik sektörü dışında, kaolinin en büyük tüketimi çimento sanayiinde olup, kaolin tüketim oranı tüvenan üretimin % 30'u mertebesine ulaşmaktadır.
Seramik sektörü dışında kaolinin en büyük tüketimi, boya, lastik ve plastik sanayiinde dolgu maddesi olarak kullanılmasıdır.
Tesis türü kaolinler, cam elyafı, kimya sanayi, ilaç sanayi gibi sektörlerde kullanılmaktadır. Ancak kullanım oranlarının düşüklüğüne rağmen mali portresi yüksek tüketimlerdir. Ayrıca fiberglass (cam elyafı) üretiminin giderek arttığı gözlenmiştir. Bu oran ABD kaolin üretiminin % 5'ine ulaşmaktadır (450 000 ton/yıl).
Tablo 3'de dünya kaolin tüketiminin Avrupa ve Amerika pazarlarındaki tüketim alanları gösterilmektedir. Tablo literatürden derlenen veriler ışığında hazırlanmıştır.
TABLO 3. Dünya kullanım alanlarına göre kaolin tüketim oranları
kaolin %
Fayans max % 20
Yerkarosu -
Porselen % 40 - 45
Sıhhi Tesisat % 30 - 40
Kağıt Dolgu Avrupa % 40, Amerika % 80
Kaplama "
Frit Sır % 10
Çimento % 30
2.2.2. Tüketim Miktar ve Değerleri
Dünyanın en büyük kaolin yataklarına sahip olan ABD için, kaolinlerin eyaletlerine göre tüketim ve değerleri ($) ile kaolin çeşitlerine göre tüketim tabloları aşağıdadır.
TABLO 5. Ürün türlerine göre kaolin tüketimi (miktar : 1000 ton, değer 1000 $)
1990 1991
Çeşitleri Miktar Değer Miktar Değer
Yüzen 1 451 84 576 1 142 63 654
Kalsine 1 385 287 792 2 444 290 990
Delamine 1 221 148 420 996 110 997
İşlenmemiş 1 246 17 337 807 12 483
Yıkanmış 3 840 415 740 4 186 443 769
Toplam 9 143 953 866 9 575 921 894
2.3. Üretim
2.3.1. Üretim Yöntemi ve Teknoloji
İngiltere Cornwall yatakları, hidrolik yöntem olan tazyikli su ile üretilmekte, koparılan parçalar doğrudan süzme tesislerine taşınmaktadır.
Diğer büyük yataklarda, genellikle açık işletme yolu ile üretim yapılmaktadır. Kağıt ve seramik kalitesindeki kaolinler, süzme tesislerinden geçirildikten sonra boyutlarına göre ayrılmaktadır. Bunlar genelde sulu değirmenlerde öğütme ve silis ayırma işlemi sağlandıktan sonra, çöktürme tankları ve hidrosilikonlardan geçirilmektedir. Manyetik seperatör ve havalı püskürtücü ile ağartma işlemleri daha ziyade kağıt sanayi için yapılmaktadır. Kurutma işlemi sonrası rutubeti azaltır.
2.3.2. Ürün Standartı
Çeşitli sanayi kollarındaki kullanıma bağlı olarak ürün standartları değişkenlik göstermektedir. Bu değişiklikler, kimyasal bileşim, tane boyu dağılımı ve çeşitli reolojik özellikleri itibariyle olmaktadır. Tablo 6'da belli başlı sektörlere göre aranan ortalama ürün standartları sunulmuştur.
TABLO 6. Çeşitli sektörlere göre kaolinlerde istenen ürün standartları
Kağıt kaolini Çimento
Dolgu Kaplama Porselen 1 2 Seramik
SiO2 48 47 46 - 48
Al2O3 min 35 min 35 min % 30 min % 30 % 28 15 - 30
Fe2O3 max 0.4 max 0.4 max 0.5 max 0.4 max 0.4 max 0.5-1.00
TiO2 max 0.05 max 0.05 max 0.1
CaO 0.2 0.1 0.2
MgO 0.2 0.1 0.5
K2O 1.5 0.5 1 - 1.5
Na2O 0.2 0.2 0.1 - 0.3
SO3 max % 1 max % 1 Eser max % 1 max % 1 max % 0.2
A.Z. % 12 - 13 % 12 - 13 % 11 - 13
-2 mikron % 60 % 80 -5 cm -5 cm
+10 mikron max % 10 max % 2 -10 cm -10 cm
+50 mikron max % 0.1 max % 0.05
Beyazlık min % 80 min % 85
Aşındırma 30 50
Viskozite 68 - 70 68 - 70
TABLO 7. Dünya kaolin üretim kapasiteleri (1000 ton)
Ülke 1988 1993
Cezayir 20 20
Angola - 150
Arjantin 140 140
Avustralya 240 250
Avusturya 109 109
Bangladeş 14 14
Belçika 73 73
Brezilya 820 1 320
Bulgaristan 300 300
Brundi 6 6
Kanada - 150
Şili 55 55
Çin 500 500
Kolombiya 30 30
Çekoslovakya 730 730
Danimarka 25 25
Ekvator 3 3
Mısır 145 145
Etyopya 55 55
Fransa 500 500
Doğu Almanya 180 180
Ülke 1988 1993
Batı Almanya 635 635
Yunanistan 300 300
GuAtemela 5 5
Hong Kong 10 10
Macaristan 40 40
Hindistan 750 750
Endonezya 145 145
İran 120 120
İsrail 30 30
İtalya 100 100
Japonya 230 230
Ürdün 30 30
Kenya 10 10
Güney Kore 910 910
Madagaskar 6 6
Malezya 115 115
Meksika 270 270
Mozanbik 1 1
Yeni Zelenda 50 50
Nijerya 20 20
Pakistan 45 45
Paraguay 70 70
Peru 10 10
Polonya 80 80
Portekiz 120 120
Romanya 450 450
Güney Afrika 200 200
İspanya 450 450
Srilanka 11 11
İsveç 1 1
Tayvan 110 110
Tanzanya 2 32
Tayland 270 270
Türkiye 230 230
Ülke 1988 1993
İngiltere 3 630 3 630
Amerika 9 100 9 100
Rusya 3 100 3 100
Venezuella 27 270
Vietnam 1 1
Yugoslavya 270 270
Zambia 1 1
Filipinler 20 20
Toplam 25 920 27 003
Kaynak : Industrial Minerals, çeşitli sayıları
2.5. Çevre Sorunları
Dünyada üretim yapan kaolin ocaklarında çevre problemi yoktur. Kaolin ocaklarında işletme izni alınmadan önce, çevre faktörü dikkate alınarak, alınması gerekli önlemler konusu madenciye bildirildikten sonra çalışma müsaadesi verilmektedir. Ocaklar genelde açık işletme olup, büyük bir çevre sorunu yaratmamaktadır.
Çevre sorunları ile ilgili en önemli konu, kaolin yıkama ve öğütme tesisleridir. Bunlarda tesisi artığı ve toz halindeki kuvars zaman zaman problem teşkil edebilmektedir. Tesislerde toz tutma sistemleri olmadan çalışma izni verilmemektedir. Yıkama suları havuzlarda dinlendirilmekte ve genellikle kapalı devre olarak çalışılmaktadır. Dünyada kaolin üzerine çalışan ocaklar ve tesislerde çevreyi etkileyecek büyük bir problem olmayıp, çevreyi etkileyecek konulardaki problemler için gerekli önlemler alınmıştır.
3. TÜRKİYE'DE DURUM
3.1. Ürünün Türkiye'de Bulunuş Şekilleri
Tanım ve sınıflandırma bölümünde belirtildiği gibi kaolinit bir kil mineralidir. Ancak dünya ve Türkiye'de, kaolin oluşum itibariyle kilden ayrı olup Türkiye'deki kaolin yatakları ve kaolin işletmeleri de killerden ayrılmıştır. Türkiye'deki kaolin yataklarının hemen hepsi hidrotermal kökenli yataklardır. Balıkesir-Sındırgı, volkano sedimanter bir yatak olup, daha sonra hidrotermal alterasyona uğramıştır. Türkiye kaolin ocakları ve rezervleri bilgilerinde, kil ve kaolinler ayrı ayrı değerlendirilmiş olup, rezervler bölümünde verilen kaolin rezervlerinin hepsi bu bölümde bahsedilen yataklanmalar olarak değerlendirilmelidir.
3.2. Rezervler
Türkiye'de arama yapan en büyük kuruluş olan M.T.A Genel Müdürlüğünün, yapmış olduğu çalışmalara göre Türkiye kaolin rezervi 100 milyon tonun üzerindedir. Bu da küçümsenmeyecek bir rakamdır. Bu çalışmalar ayrıntılı çalışmalardır. Tabloda rezervler olarak, bölgelerin genel potansiyelini gösteren rezerv ile işletilebilir rezervler miktarı 36 milyon ton civarında olup, bu rakamlar da Türkiye için yeterli miktardır. Rezerv içerisinde en büyük bölge, BalıkesirSındırgı-Düvertepe bölgesi olup, bu bölge içerisinde en büyük rezervlere Söğüt Madencilik A.Ş. sahiptir. Rezerv tablosunda ayrıca kullanım alanları ve tahmini kaliteleri de belirtilmiştir.
Türkiye kaolin yatakları, genellikle hidrotermal kökenli kaolin yataklarıdır. Yani ABD'deki Georgia kaolin yatağı gibi bir yatak Türkiye'de mevcut değildir.
DPT ve MTA Genel Müdürlüğü tarafından yapılan çalışmalara göre, Türkiye kaolin rezervi 100 milyon ton civarında belirtilmektedir. Ancak işletmeye elverişli rakamlar bu kadar değildir. Söz konusu araştırmalar, bölgesel çalışma yaparak toplam potansiyelleri ortaya koymuştur. Gerek işletici kuruluşların yapmış olduğu çalışmalar, gerekse tarafımızca yapılan değerlendirmeler tablo-14'de mukayeseli olarak verilmektedir.
Tabloda görüleceği gibi 100 milyon tonluk rezerv, MTA'nın bugüne kadar yapmış olduğu çalışmaların sonucuna göre verilen rezervdir. Tablo yanında işletilebilir-görünür olarak verilen rezerv ise tarafımızca bugüne kadar yapılan çalışmalar sonucu işletilebilir olarak verilen rezervlerdir. Bu rezerv ise 35 milyon ton civarındadır.
TABLO 15. Türkiye kaolin yatakları, tenör, kullanım alanları ve rezervleri
Bulunduğu Yerler %
Al2O3
Kullanım Alanı Rezerv
(Gör+Muh) (Ton) İşletilebilir R. Görünür
(Ton)
Balıkesir-Sındırgı 13-33 İnce seramik,karo,
refrakter,kağıt
70,000,000
25,000,000
Balıkesir-Ayvalık 15-32 Seramik ve karo fayans 1,000,000 500,000
Balıkesir-İvrindi 20-31 İnce ser. ve karo fay. 970,000 500,000
Balıkesir-Gönen 23-28 Seramik 150,000 50,000
Çanakkale-Çan 17-35 Seramik ve refrakter 5,000,000 2,000,000
Bursa-Kemalpaşa 20-24 Kağıt 1,000,000 1,000,000
İstanbul-Arnavutköy 15-35 Refrakter 800,000 -
78,920,000 29,050,000
Eskişehir-Mihalıççık 20-33 Seramik ve karo fayans 3,330,380 1,000,000
Bilecik-Söğüt 15-23 Seramik 1,000,000 500,000
Kütahya-Gevrekseydi 20-24 Kağıt 724,924 200,000
Kütahya-Altıntaş 20-31 Ser.,karo,fayans,kağıt 1,206,000 500,000
Kütahya-Emet 20-30 Seramik,karo,fayans 1,070,286 100,000
Kütahya-Simav 20-24 Seramik,karo,fayans 370,000 50,000
Uşak-Karaçayır 11-21 Seramik,karo,fayans 800,000 500,000
8,501,590 2,850,000
Kayseri-Felahiye 23-34 Seramik ve refrakter 450,000 20,000
Konya-Sağlık 15-30 Karo fayans ve seramik 607,000 100,000
Nevşehir-Avanos 18-33 Ser.,elekro pors.,karo 1,277,000 100,000
Niğde-Aksaray 15-32 Karo, fayans ve kağıt 1,500,000 1,000,000
3,834,000 1,220,000
Trabzon-Araklı,Arsin 14-23 Karo, fayans 200,000 50,000
Rize-Ardeşen,Fındıklı 14-23 Karo, fayans 275,000 50,000
Giresun-Bulancak 12-24 Karo, fayans 7,785,000 2,000,000
Ordu-Ulubey 17-23 Kağıt 730,000 100,000
Diğerleri 700,000
8,990,000 2,900,000
GENEL TOPLAM 100,245,590 36,020,000
3.3. Tüketim
3.3.1. Tüketim Alanları
Türkiye'de üretilen kaolinlerin % 80'i çimento sektöründe, % 20'si seramik, cam, kağıt ve diğer sektörlerde tüketilmektedir. Bu da Türkiye'de üretilen kaolinlerin ham olarak tüketildiğini göstermektedir. Giriş bölümlerinde bahsedildiği üzere, Avrupa ve Amerika'da üretilen kaolinlerin % 80'i kağıt sektöründe tüketilmektedir. Avrupa ve Amerika'da kağıt ve kaolin endüstrisi çok gelişmiş olup, ham olarak üretilen kaolinlerin % 75'i kağıt ve ince seramiğe hitap edilmek üzere tesislerde kullanılmaktadır.
TABLO 16. Türkiye kaolinlerinin tüketim alanları tablosu
Çimento Sektörü % 60
Seramik ve Cam Sektörü % 30
Dolgu-Lastik-Boya v.s. % 10
Gelişmiş ülkelerde üretilen kaolinlerin % 75'i kağıt sektöründe tüketildiği gözönünde bulundurulursa, Türkiye kağıt sanayiinin tam gelişmediği ve Türkiye'de kağıt sanayiine hitap edebilen (özellikle kaplama) kaolinlerin üretilemediği ortaya çıkmaktadır. Türkiye'deki mevcut tesislerden ancak kağıt dolgu kaolinleri elde edilebilmekte olup, kaplama kaolinleri ithal edilmektedir.
Kaolin cevherleşmesi içinde % miktarlarına göre olan safsızlıklar, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, K2O, Na2O ve A.Z. (Ateş zaiyatı) olup, bileşim analizinde bu oranların toplamı % 10'dur. İçindeki bu bileşenlerin çokluğu veya azlığı, bu minerallerin şekli, bulunuş biçimi (bağımlı-serbest) gibi özellikleri sınıflamasında rol oynamaktadır.
Dünyada bazı kil yataklarının ana mineralinin kaolinit olması nedeni ile, literatürdeki bilgiler kil ve kaolin olarak da beraber verilmekte olup, dünya bilgileri ile mukayesesinde çelişkili rakamlar çıkmaktadır. Bu nedenle mevcut sıhhatli bilgi ayırımı yapıldıktan sonra, mukayese yapmak daha doğru olacaktır.
Kaolinin fiziksel özelliklerine göre kullanım yerlerinin değişmesi nedeni ile;
- Seramik kaolini
- Porselen kaolini
- Fayans kaolini
- Çimento kaolini
- Kağıt Dolgu kaolini
- Kağıt Kaplama kaolini
- Demirli kaolin
- Silisli kaolin
- Plastik kaolin
- Refrakter kaolin
- Alunitli kaolin
gibi sınıflamalara ayırmak mümkündür.
Bu ayırımın yapılmasında en önemli özellik kimyasal ve özellikle fiziksel özelliğine göre kullanım yerinin belirlenmesidir.
Bu özelliklerinin belirlenmesi için çeşitli test ve teknolojik çalışmaların yapılıp, kullanım özelliğinin en uygun şeklinin belirlenmesi gerekmektedir.
Örneğin, kağıt kaolini dolgu veya kaplama kağıt özelliği için süzülebilirlik deneyleri sonrası beyazlığı, tane inceliği, içindeki ayrılabilir serbest silislerin % miktarı, kağıttaki aşındırma özellikleri, sıvı (yağ) emme özelliği gibi kriterlere bakılarak karar verilmektedir.
3.4. Üretim
3.4.1. Üretim Yönetimi ve Teknoloji
Türkiye'de bulunan kaolin ocaklarında açık işletme ile üretim yapılmaktadır. Geçmiş plan döneminde işçilikle yapılan üretimler, talebin artması sonucu iş makinaları ile yapılmaktadır. Sert kaolin ocaklarında patlayıcı kullanılmaktadır. Sektörün ihtiyacına göre özellikle Fe2O3 elle seçilmektedir. Ocaklarda 5-10 cm kırıcılar bulunmakta olup, yurtiçi ve ihracat 5-10 cm boyutlarında yapılmaktadır.
Seramik sektörünün ihtiyacı olan masse kaolinleri, tüvenan veya 5-10 cm boyutlarında tüketilmektedir. Seramik fabrikalarının bazılarında, kaolin yıkama-süzme tesisi bulunmakta olup, bu tesislerden elde edilen süzülmüş kaolinler ancak kendi ihtiyaçlarını karşılamaktadır.
Türkiye seramik ve kağıt sanayiinin istediği türde piyasaya kaolin sürebilen; Hisarsan ve Kadoksan firmaları, piyasanın istediği türde kaolinleri tesislerinde tam hazırlayamamakta veya tüvenan olarak istenilen kaolinleri bulamadığından dolayı kağıt ve seramik sektöründe ikhalat yapılmaktadır. Frit ve sır imalatında uygun kaolinler ile kağıt sanayiinin özellikle kuşe kağıtta kullandığı kaolinler, mevcut teknoloji ile elde edilemediği için ithalat yapılmaktadır. Türkiye'de mevcut tesislerde elde edilen süzülmüş kaolinler kağıt sanayiinde kullanılan dolgu maddesi vasıfında Türkiye'deki bu tesislerden elde edilen kaolinler dolguda kullanılmaktadır. Türkiye'de bu tür tesisler konusunda büyük bir boşluk olup, kağıt ve seramik sektöründe yıkanmış kaolin ihtiyacına yönelik yeni tesislerin kurulması beklenmektedir.
3.4.2. Ürün Standardı
Türkiye'de tüketilen sektörler açısından kullanılan kaolinlerin kimyasal, fiziksel özelliklerine göre, ürün standartları tablo halinde hazırlanmış olup, dünyadaki ürün standartları ve tüketilen kaolinler arasında ürün standartları bakımından büyük bir fark yoktur. Fabrikalar üretim reçetelerine göre değişik Al2O3, Fe2O3, SO3, TiO2 li hammadde kullanırlar. Bu kriterlere ve reçetelere göre, kullanım oranları da farklıdır. Ancak fabrikaların kullanıldığı diğer hammaddelerin fiziksel özellikleri kimyasal özelliklerinden daha büyük bir önem kazanmaktadır.
Kağıt, porselen, sıhhi tesisat gibi kullanım yerlerinde beyazlık, serbest silis, aşındırma gibi fiziksel özellikler daha da büyük önemi olduğu için tüketici kuruluşlar aldıkları kaolinlerin kimyasal analiz standartlarından çok, bu tür fiziksel özelliklerine bakmaktadır. Sektörlere göre ürün standartlarını gösterebilen bir tablo hazırlanmış olup, tüm tüketici kuruluşların ortalamaları bu standartlar içerisinde kalmaktadır.
TABLO 18. Türkiye kaolin ürün standartları
Kağıt Çimento
Fayans Elektro Porselen Porselen Frit
kaolini Dolgu Kaplama 1 2
SiO2 (%) 55-80 55-60 58-65 58-78 44-46 50-60 78-80 57-60
Al2O3 13-25 28-30 24-32 15-28 30-35 30-35 13-18 26-28
Fe2O3 max 1.0 max 0.6 max 0.6 max 0.3 max 0.4 max 0.4 max 0.4 max 0.4
TiO2 max 0.5 max 0.5 max 0.5 - max 0.4 max 0.4 max 0.5 max 0.5
CaO max 1.0 - - - - - max 1 max 1
MgO max 1.0 - - - - - max 1 max 1
Na2O max 1.0 max 0.10 max 0.2 - - max 1.0 max 1 max 1
K2O max 1.0 max 0.10 max 0.2 - max 2.00 max 1.0 max 1 max 1
SO3 max 0.5 max 0.30 max 0.1 max 0.2 1-5.0 1-5.0 max 1 max 1
A.Z. 5-10 7-9 8-12 5-12 10-14 10-14 5-7 9-11
Beyazlık - min % 85 min % 89 - min % 80 min % 85 - -
Tane Boyu
2 mikrondan
5 mikrondan
-
-
-
-
-
-
-
-
% 30-35
% 35-45 min % 80
10 mikron
% 0.3
-
-
-
-
Serbest silis - - - - max % 8 max %0.4 A.Z. A.Z.
Cr2O3 - - - - - - max 90
ppm max 80
ppm
Aşındırma - - - - max 30 mg max 5 mg - -
Cins ham
kaolin ham ve
tesis ham ve
tesis ham ve
tesis tesis tesis ham ham
3.5. Çevre Sorunları
Diğer hammaddeler ve diğer seramik hammaddelerinde olduğu gibi kaolin madenciliğinde de, Çevre Bakanlığı'nın yayınladığı ÇED Yönetmeliği çerçevesinde madencileri ilgilendiren büyük problemler vardır. ÇED Yönetmeliği çerçevesinde Bakanlıktan izin almak hem çok zordur, hem de kimden, nasıl izin alınacağı, çevre kurullarının nasıl ve kimlerden oluşacağı, Çevre Bakanlığı izni ile ormanlık alanlarda orman çalışma izinlerinde kargaşa ve zorluklar vardır.
Çevre konusunda metalik madenler ve tesisler kadar çevreye zararı olmayan kaolin ocakları için istenilen belge ve bilgiler arasında fark olmaktadır. 7. Plan döneminde Enerji Bakanlığı ve Çevre Bakanlığı işbirliği ile bu kanunun çözümlenmesi beklenmektedir.
Kaolin öğüten ve kaolin yıkayan tesislerde silisten ve SiO2'den kaynaklanan tozlanmalar olabilmektedir. Çevreyi kirletici boyutta olmamakla birlikte, insan sağlığı açısından toz tutma tertibatının devreye alınması, sonucu büyük bir çevre sorunu yaşanmamaktadır.
KUVARS
KUVARS
1. GİRİŞ
1.1. Tanım ve Sınıflandırma
Kuvars SiO2 bileşiminde sertliği 7, özgül ağırlığı 2.85 gr/cm3, ergime sıcaklığı 1785 oC olan, yerkabuğunda en yaygın minerallerden biridir. Saydam veya mat, renksiz veya beyaz, kırmızı, pembe, mavi, mor gibi çeşitli renklerde kuvars vardır. Kristallerinin büyüklüğü bakımından iri kristalli olanlar: Dumanlı kuvars, Morion, Venüs saçı, Ametist, Neceftaşı; kriptokristalin olanlar: Akik, Kalsedon, Çakmaktaşıdır.
Kuvars jenetik olarak: 1- Magmatik, 2- Metamorfik, 3- Sedimanter kökenlidir. Doğada fay ve çatlaklarda filon halinde bulunur. Ayrıca cevher yataklarında gang minerali olarak rastlanır.
2. DÜNYADA MEVCUT DURUM
2.1. Rezervler
Dünyadaki en büyük rezervler Brezilya'da bulunmaktadır. Buradaki kuvars kristalleri elektronik sanayiinde kullanılabilecek niteliktedir. Henüz dünyadaki kuvars rezervleri tam olarak saptanamamıştır. Ancak kristal olmayan kuvars rezervleri açısından Arjantin, Avusturya, Belçika, Lüksemburg, Macaristan, Güney Afrika Cumhuriyet, İspanya ve Norveç'i sayabiliriz. Diğer taraftan Namibya ve Madagaskar kaliteli kuvars kristalleri rezervleri açısından Brezilya'dan sonra gelmektedirler.
2.2. Tüketim
2.2.1. Tüketim Alanları
Düzgün ve temiz olan kuvars kristalleri optik ve elektronik sanayiinde ve süs taşı olarak kullanılmaktadır. Kuvars kristalleri elektronik sanayiinde frekans kontrol asilatörerinde ve frekans filtrelerinde kullanılmaktadır. Süt kuvars ve camsı kuvars ise öğütülerek ve hazırlama işlemlerinden geçirilerek cam, deterjan, boya, seramik, zımpara, dolgu ve metalurji sanayiilerinde kullanılmaktadır.
2.3. Üretim
2.3.1. Üretim Yöntemi ve Teknoloji
Kuvars genel olarak açık işletme yöntemiyle üretilir. Mostra madenciliği yapıldığı için örtü tabakası yoktur. Üretim, delicilerle delinen delikler patlayıcı madde doldurulup patlatılarak yapılır. Daha sonra parçalanan kuvars yabancı maddelerden elimine edebilmek için triaja tabi tutulur. Temiz ve kaliteli olanlar elle toplanarak, stoklanır. Kuvarsın üretim girdileri fitil, kapsül, patlayıcı madde, makina yağı, işçilik ve amortismandır.
Arjantin'de kuvars üretimi pegmatit yataklarından yapılmaktadır. Norveç'te ise kuvars üretimi pegmatit-granit yataklarından flotasyon yoluyla yapılmaktadır.
2.3.2. Ürün Standartları
Optik ve Elektronik Sanayiinde kullanılan kuvars kristallerinin % 99.99 SiO2 saflıkta olması istenir. Diğer impüriteler istenmemektedir. Metalurji endüstrisinde kullanılan kuvarsta SiO2 % 99.5 ve Fe2O3 ise % 0.01'dir.
Cam endüstrisinde kullanılan kuvarsın tane iriliğinin 500 mikron altında, temizlik malzemeleri üreten endüstrilerde 74 mikron altın, boya endüstrisinde ise 10 mikron altında olması istenmektedir.
2.3.3. Sektörde Üretim Yapan Önemli Kuruluşlar
Amerika Birleşik Devletlerinde kuvars kristalleri üretimi yapan 5 firma mevcuttur. Arjantin'de Cordoba eyaletinde bulunan Cristamine SA ve Minera Continental SA şirketleri kuvars ve pegmatit yataklarından kuvars üretimi yapmaktadırlar.
Norveç'te ise Lillesand bölgesindeki Franzefoss Eruk A/S şirketi pegmatit-granit yataklarından flotasyon yoluyla kuvars üretmiştir. Diğer taraftan Nordland'daki Minnorco A/S şirketi kuvars üretimi yapmaktadır.
Yunanistan'da da 2 firma kuvars üretmektedirler. Bunlardan Elvior SA ve Mevior SA'dır.
2.3.4. Mevcut Kapasiteler ve Kullanım Oranları
Sadece Yunanistan'da ki Mevior SA firmasının Selaniğin 20 km kuzeyinde 60-70.000 ton/yıl kapasiteli kuvars, kuvarsit, feldspat hazırlama tesisinden bahsedebiliriz. Bu tesis müşteri taleplerine göre yılda 5 000 ton kuvars, 150-200 ton kuvarsit hazırlamaktadır.
Amerika Birleşik Devletlerindeki tesislerde aşağıdaki miktarlarda elektronik olmayan kuvars (Lascas) işleyip elektronik özellikli kuvars üretilmektedir.
1987 1988 1989 1990 1991
381 389 464 441 450
Toplam: 2125 ton elektronik özellikli kuvars.
2.6. Çevre Sorunları
Çevre kirlenmesi konusunda herhangi bir sorun bulunmamaktadır. Çok ince taneli atıkların yeraltı suyuna karışmasını önlemek için filter presler kullanılmaktadır.
3. TÜRKİYE'DE DURUM
3.1. Ürünün Türkiye'de Bulunuş Şekilleri
Kuvars, Türkiye'de genellikle fay zonlarında, çatlaklarda, filonlarda ve cevher yataklarında gang minerali olarak bulunur.
3.2. Rezervler
Ankara, İzmir, Aydın, Muğla, Çanakkale, Bitlis, Kütahya illerinde genellikle filon biçiminde kuvars rezervleri bulunmaktadır. Türkiye'de 4-5 milyon ton mertebesinde jeolojik kuvars rezervi mevcuttur. Görünür rezerv ve kaliteye yönelik ayrıntılı etüdler yetersizdir. Fakat anket formlarından elde edilen bilgilere göre Kale Madencilik A.Ş. Çanakkale: Biga-Bayramiç-Ezine yörelerinde 800.000 ton görünür. Söğüt Madencilik A.Ş. Çine bölgesi 2500 ton görünür, Toprak Madencilik A.Ş. de 825.000 ton görünür kuvars rezervleri olduğunu ifade etmişlerdir. Bu üç şirketin toplam görünür kuvars rezervleri : 1 627 500 tondur.
3.3. Tüketim
3.3.1. Tüketim Alanları
Cam, seramik, deterjan, dolgu maddesi, filitre sanayilerinde en önemli girdidir. Cam sanayiinde kristal eşya ve züccaciye imalatında; Seramik Sanayiinde ise Sır ve frit yapımında, yer ve duvar karosunda izolatör, elektro-porselen, glazür, sofra eşyası ile vitrifiye seramik yapımında kullanılmaktadır.
3.4. Üretim
3.4.1. Üretim Yöntemi ve Teknoloji
Kuvars kristalleri üretimi elle toplanarak yapılmaktadır. Filon kuvarslar açık işletme yöntemiyle üretilmektedir. Bazı ocaklarda üretimden önce dekapaj işlemi uygulanabilmektedir. Açık ocakta üretim, havalı martoperfaratörlerle delinen delikler patlayıcı madde doldurularak patlatılarak gerçekleştirilmektedir. Elde edilen iri parçalar patlayıcı madde ile patlatılarak veya hidrolik kırıcılarla kırılarak boyutları küçültülmektedir. Kırılmış kuvarslar gerekirse su ile yıkanabilmektedir. Kırıcılardan geçirildikten sonra değirmenlerle istenilen ebada öğütülmektedirler. Değirmenler genellikle bilyalı değirmendir. Boyut kontrolu elek ve siklonlarla yapılmaktadır. Diğer taraftan Fe2O3 içeriği flotasyon yoluyla istenilen seviyeye indirilmektedir.
3.4.2. Ürün Standartları
Cam Sanayiinde kullanılan tuvönan kuvarsta kimyasal olarak istenen özellikler şunlardır :
SiO2 min % 99.6
Fe2O3 max % 0.012
Fiziksel Özellikler ise şunlardır :
Max tane boyu 25 cm. dir. Tuvenan kuvars kırılıp 500 mikron altına öğütülerek flote edilir. Kristal eşya ve Zücaciye imalatında kullanılır.
Seramik Sanayiinde kullanılan öğütülmüş kuvarsta istenilen kimyasal özellikler :
SiO2 % 97-98
Al2O3 % 0.25-0.5
Fe2O3 max % 0.25
CaO % 0.5-1.0
MgO % 0.5-1.0 dır.
Fiziksel olarak 100 mikron altı tane iriliği istenmektedir. Porselen Sanayii ise % 97 SiO2 min ve % 0.2 Fe2O3 max kalitesinde kuvars kullanmaktadır.
KAYNAKLAR DİZİNİ
Mineral Commodity Summaries, 1993, USA Bureau of Mines
Industrial Sand and Gravel, 1991, By Wallace P.BOLEN
Minerals Yearbook, 1991
Industrial Minerals, 1993, January-October
Seramik ve Cam Hammaddeleri, VI. Beş Yıllık Kalkınma Planı, ÖİK Rapor. 1991
1. GİRİŞ
1.1. Tanım ve Sınıflandırma
Kuvars SiO2 bileşiminde sertliği 7, özgül ağırlığı 2.85 gr/cm3, ergime sıcaklığı 1785 oC olan, yerkabuğunda en yaygın minerallerden biridir. Saydam veya mat, renksiz veya beyaz, kırmızı, pembe, mavi, mor gibi çeşitli renklerde kuvars vardır. Kristallerinin büyüklüğü bakımından iri kristalli olanlar: Dumanlı kuvars, Morion, Venüs saçı, Ametist, Neceftaşı; kriptokristalin olanlar: Akik, Kalsedon, Çakmaktaşıdır.
Kuvars jenetik olarak: 1- Magmatik, 2- Metamorfik, 3- Sedimanter kökenlidir. Doğada fay ve çatlaklarda filon halinde bulunur. Ayrıca cevher yataklarında gang minerali olarak rastlanır.
2. DÜNYADA MEVCUT DURUM
2.1. Rezervler
Dünyadaki en büyük rezervler Brezilya'da bulunmaktadır. Buradaki kuvars kristalleri elektronik sanayiinde kullanılabilecek niteliktedir. Henüz dünyadaki kuvars rezervleri tam olarak saptanamamıştır. Ancak kristal olmayan kuvars rezervleri açısından Arjantin, Avusturya, Belçika, Lüksemburg, Macaristan, Güney Afrika Cumhuriyet, İspanya ve Norveç'i sayabiliriz. Diğer taraftan Namibya ve Madagaskar kaliteli kuvars kristalleri rezervleri açısından Brezilya'dan sonra gelmektedirler.
2.2. Tüketim
2.2.1. Tüketim Alanları
Düzgün ve temiz olan kuvars kristalleri optik ve elektronik sanayiinde ve süs taşı olarak kullanılmaktadır. Kuvars kristalleri elektronik sanayiinde frekans kontrol asilatörerinde ve frekans filtrelerinde kullanılmaktadır. Süt kuvars ve camsı kuvars ise öğütülerek ve hazırlama işlemlerinden geçirilerek cam, deterjan, boya, seramik, zımpara, dolgu ve metalurji sanayiilerinde kullanılmaktadır.
2.3. Üretim
2.3.1. Üretim Yöntemi ve Teknoloji
Kuvars genel olarak açık işletme yöntemiyle üretilir. Mostra madenciliği yapıldığı için örtü tabakası yoktur. Üretim, delicilerle delinen delikler patlayıcı madde doldurulup patlatılarak yapılır. Daha sonra parçalanan kuvars yabancı maddelerden elimine edebilmek için triaja tabi tutulur. Temiz ve kaliteli olanlar elle toplanarak, stoklanır. Kuvarsın üretim girdileri fitil, kapsül, patlayıcı madde, makina yağı, işçilik ve amortismandır.
Arjantin'de kuvars üretimi pegmatit yataklarından yapılmaktadır. Norveç'te ise kuvars üretimi pegmatit-granit yataklarından flotasyon yoluyla yapılmaktadır.
2.3.2. Ürün Standartları
Optik ve Elektronik Sanayiinde kullanılan kuvars kristallerinin % 99.99 SiO2 saflıkta olması istenir. Diğer impüriteler istenmemektedir. Metalurji endüstrisinde kullanılan kuvarsta SiO2 % 99.5 ve Fe2O3 ise % 0.01'dir.
Cam endüstrisinde kullanılan kuvarsın tane iriliğinin 500 mikron altında, temizlik malzemeleri üreten endüstrilerde 74 mikron altın, boya endüstrisinde ise 10 mikron altında olması istenmektedir.
2.3.3. Sektörde Üretim Yapan Önemli Kuruluşlar
Amerika Birleşik Devletlerinde kuvars kristalleri üretimi yapan 5 firma mevcuttur. Arjantin'de Cordoba eyaletinde bulunan Cristamine SA ve Minera Continental SA şirketleri kuvars ve pegmatit yataklarından kuvars üretimi yapmaktadırlar.
Norveç'te ise Lillesand bölgesindeki Franzefoss Eruk A/S şirketi pegmatit-granit yataklarından flotasyon yoluyla kuvars üretmiştir. Diğer taraftan Nordland'daki Minnorco A/S şirketi kuvars üretimi yapmaktadır.
Yunanistan'da da 2 firma kuvars üretmektedirler. Bunlardan Elvior SA ve Mevior SA'dır.
2.3.4. Mevcut Kapasiteler ve Kullanım Oranları
Sadece Yunanistan'da ki Mevior SA firmasının Selaniğin 20 km kuzeyinde 60-70.000 ton/yıl kapasiteli kuvars, kuvarsit, feldspat hazırlama tesisinden bahsedebiliriz. Bu tesis müşteri taleplerine göre yılda 5 000 ton kuvars, 150-200 ton kuvarsit hazırlamaktadır.
Amerika Birleşik Devletlerindeki tesislerde aşağıdaki miktarlarda elektronik olmayan kuvars (Lascas) işleyip elektronik özellikli kuvars üretilmektedir.
1987 1988 1989 1990 1991
381 389 464 441 450
Toplam: 2125 ton elektronik özellikli kuvars.
2.6. Çevre Sorunları
Çevre kirlenmesi konusunda herhangi bir sorun bulunmamaktadır. Çok ince taneli atıkların yeraltı suyuna karışmasını önlemek için filter presler kullanılmaktadır.
3. TÜRKİYE'DE DURUM
3.1. Ürünün Türkiye'de Bulunuş Şekilleri
Kuvars, Türkiye'de genellikle fay zonlarında, çatlaklarda, filonlarda ve cevher yataklarında gang minerali olarak bulunur.
3.2. Rezervler
Ankara, İzmir, Aydın, Muğla, Çanakkale, Bitlis, Kütahya illerinde genellikle filon biçiminde kuvars rezervleri bulunmaktadır. Türkiye'de 4-5 milyon ton mertebesinde jeolojik kuvars rezervi mevcuttur. Görünür rezerv ve kaliteye yönelik ayrıntılı etüdler yetersizdir. Fakat anket formlarından elde edilen bilgilere göre Kale Madencilik A.Ş. Çanakkale: Biga-Bayramiç-Ezine yörelerinde 800.000 ton görünür. Söğüt Madencilik A.Ş. Çine bölgesi 2500 ton görünür, Toprak Madencilik A.Ş. de 825.000 ton görünür kuvars rezervleri olduğunu ifade etmişlerdir. Bu üç şirketin toplam görünür kuvars rezervleri : 1 627 500 tondur.
3.3. Tüketim
3.3.1. Tüketim Alanları
Cam, seramik, deterjan, dolgu maddesi, filitre sanayilerinde en önemli girdidir. Cam sanayiinde kristal eşya ve züccaciye imalatında; Seramik Sanayiinde ise Sır ve frit yapımında, yer ve duvar karosunda izolatör, elektro-porselen, glazür, sofra eşyası ile vitrifiye seramik yapımında kullanılmaktadır.
3.4. Üretim
3.4.1. Üretim Yöntemi ve Teknoloji
Kuvars kristalleri üretimi elle toplanarak yapılmaktadır. Filon kuvarslar açık işletme yöntemiyle üretilmektedir. Bazı ocaklarda üretimden önce dekapaj işlemi uygulanabilmektedir. Açık ocakta üretim, havalı martoperfaratörlerle delinen delikler patlayıcı madde doldurularak patlatılarak gerçekleştirilmektedir. Elde edilen iri parçalar patlayıcı madde ile patlatılarak veya hidrolik kırıcılarla kırılarak boyutları küçültülmektedir. Kırılmış kuvarslar gerekirse su ile yıkanabilmektedir. Kırıcılardan geçirildikten sonra değirmenlerle istenilen ebada öğütülmektedirler. Değirmenler genellikle bilyalı değirmendir. Boyut kontrolu elek ve siklonlarla yapılmaktadır. Diğer taraftan Fe2O3 içeriği flotasyon yoluyla istenilen seviyeye indirilmektedir.
3.4.2. Ürün Standartları
Cam Sanayiinde kullanılan tuvönan kuvarsta kimyasal olarak istenen özellikler şunlardır :
SiO2 min % 99.6
Fe2O3 max % 0.012
Fiziksel Özellikler ise şunlardır :
Max tane boyu 25 cm. dir. Tuvenan kuvars kırılıp 500 mikron altına öğütülerek flote edilir. Kristal eşya ve Zücaciye imalatında kullanılır.
Seramik Sanayiinde kullanılan öğütülmüş kuvarsta istenilen kimyasal özellikler :
SiO2 % 97-98
Al2O3 % 0.25-0.5
Fe2O3 max % 0.25
CaO % 0.5-1.0
MgO % 0.5-1.0 dır.
Fiziksel olarak 100 mikron altı tane iriliği istenmektedir. Porselen Sanayii ise % 97 SiO2 min ve % 0.2 Fe2O3 max kalitesinde kuvars kullanmaktadır.
KAYNAKLAR DİZİNİ
Mineral Commodity Summaries, 1993, USA Bureau of Mines
Industrial Sand and Gravel, 1991, By Wallace P.BOLEN
Minerals Yearbook, 1991
Industrial Minerals, 1993, January-October
Seramik ve Cam Hammaddeleri, VI. Beş Yıllık Kalkınma Planı, ÖİK Rapor. 1991
ALASIM EKLENTILERININ CELIKLERE ETKILERE
ALAŞIM ELEMENTLERİNİN ÇELİKLERE ETKİLERİ
| Özellikler / Alaşım Elementleri | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | W | Co | Al |
| Çekme Mukavemeti | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| Uzama | ¯ | ® | ¯ | ¯ | + | ® | ¯ | ¯ | ¯ |
| Kritik Soğuma Hızı | ¯ | ¯ | + | ¯ | ¯ | ® | ® | ¯ | ® |
| Sertleşme Derinliği | + | + | + | + | + | + | + | + | ¯ |
| Sıcakta Mukavemet | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| Meneviş Dayanıklılığı | ® | ® | + | + | ® | + | + | + | ® |
| Aşınma Mukavemeti | + | + | + | + | + | + | + | + | ® |
| Tufallaşmaya Dayanıklılık | ¯ | ® | + | + | + | ¯ | ® | + | + |
| Talaş Kaldırabilirlik | ¯ | ¯ | ¯ | ¯ | ¯ | ¯ | ¯ | + | ® |
| Korozyon Dayanıklılığı | ¯ | ® | + | + | + | + | ® | + | + |
Çeliğe alaşım elementlerinin etkileri
Maksimum %2,06 karbon içeren demir karbon alaşımları çelik olarak adlandırılır. Çelikler halen günümüzde en yaygın kullanılan malzeme grubunu oluşturmaktadır. Çelikler yalın karbonlu olabileceği gibi, çeşitli özelliklerin geliştirilebilmesi için bazı alaşım elementleri içerebilirler. Çelik bünyesinde bulunan elementler; istenerek katılan alaşım elementleri ve bunların yanında uzaklaştırılmak istenen, özelliklere kötü yönde etkili elementlerdir. Çeliklerin alaşım elementleri ve etkileri şunlardır:
Karbon (C):
Çeliklerin temel alaşım elementi olan karbon, çeliklerin üretim işlemleri sırasında yapıdaki yerini alır. Karbon miktarı, çeliklerin mekanik özelliklerini en çok etkileyen faktördür. Karbon, çeliğin akma ve çekme mukavemetini artırır, yüzde uzamayı, şekillenebilirliği ve kaynak kabiliyetini azaltır. İşlenebilirliğin ön planda olduğu çeliklerde karbon miktarı düşük tutulmalı, dayanım değerlerinin yüksek olması gerektiği durumlarda ise çeliğin karbon içeriği yüksek olmalıdır.
Düşük karbonlu yumuşak çeliklerin şekillendirilmesi sırasında meydana gelebilecek en önemli problem mavi gevrekliktir. Bu olay karbon (ve/veya azot) atomlarının küçük çaplı olması nedeniyle kolay yayınmalarından kaynaklanır ve işleme sırasında kırılganlık yaratır.
Mavi Gevreklik: Yumuşak çelikler 270-350
Mangan (Mn):
Mangan da karbon gibi üretim işlemlerinde çelik yapısında yer alan bir elementtir ve çeliğin dayanımını arttıran etki gösterir. Bunun yanında sertleşebilme ve kaynak kabiliyetini de artırır, östenit kararlaştırıcı bir elementtir. Manganın en önemli özelliği kükürtle MnS bileşiği yapması ve demir kükürt FeS bileşiği oluşumunu engellemesidir. FeS sıcak kırılganlığa neden olur.
Silisyum (Si):
Silisyum oksijen giderici olarak kullanıldığı için çelik içinde yer alır. Çeliğin akma, çekme dayanımını ve elastikiyetini artırır. Çelik yapısındaki silisyum miktarı azaldıkça tufal yapma oranı artar.
Silisyum ucuz bir alaşım elementidir, yaygın olarak yüksek elastikiyet gerektiren yay çeliklerinde kullanılır. Ayrıca elektriksel akım zaiyatını önleyen bir elementtir.
Silisyum miktarı fazla olan filmaşinler çok küçük çaplara indirilmeleri zordur. Çünkü silisyum, malzeme tel haline getirilirken teli sertleştirir ve kopmalara neden olur. Filmaşinlerde bu yüzden düşük silisyum tercih edeler.
Fosfor (P):
Fosfor çeliğin akma ve çekme dayanımını arttırır, yüzde uzamayı ve eğme özelliklerini çok fazla kötüleştirir, soğuk kırılganlık yaratır, talaşlı şekillendirme kabiliyetini arttırır. Fosfor çelik içinde üretim işlemlerinden kalan bir elementtir ve istenmeyen özellikleri nedeniyle mümkün mertebe yapıdan uzaklaştırılır.
Kaliteli ıslah çeliklerinde maksimum fosfor miktarı %0.045, asal ıslah çeliklerinde ise %0,035 dir.
Kükürt (S):
Akma ve çekme mukavemetine etkisi yok denecek kadar azdır. Fakat malzemenin yüzde uzamasına ve tokluğuna etkisi çok fazladır. Kükürt malzemenin tokluğunu ve sünekliğini önemli ölçüde azaltır. Ayrıca kaynaklanabilirliği kötü yönde etkiler. Kükürt demirle birleşerek FeS fazını oluşturur. Bu faz düşük ergime sıcaklığına sahip olduğu için haddeleme sıcaklığında ergiyerek sıcak kırılganlığa sebep olur. Bu olumsuz etki kükürdün manganla birleşmesi sağlanarak önlenir.
Kükürt çelik içinde çeliğin üretiminden kalan bir elementtir ve yukarıda belirtilen istenmeyen özellikleri nedeniyle yapıdan mümkün mertebe uzaklaştırılır. Sadece talaşlı şekillendirilmeye uygun otamat çeliklerinde kükürt miktarı yüksek tutulur.
Kaliteli ıslah çeliklerinde maksimum kükürt miktarı %0.045, asal ıslah çeliklerinde ise %0,035 dir.
Krom (Cr):
Krom paslanmaz çeliklerin temel alaşım elementidir. Krom, korozyon ve oksidasyon direnci sağlar. Sertleşebilme kabiliyetini artırır. Yüksek karbonlu çeliklerde aşınma direncini yükseltir. Krom karbon ile tane sınırlarında biriken Cr23C6 bileşiğini oluşturur. Oluşan bu bileşik paslanmaz çeliklerde tane sınırlarındaki krom miktarını paslanmazlık sınırı olan %12 nin altına çeker. Bu bileşik yüksek sıcaklıklarda karbon yayınımının hızlanması ile kolayca meydana gelir ve kaynaklı paslanmaz çeliklerde, kaynak dikişi yakınlarında kaynak bozulmalarına neden olur.
Nikel (Ni):
Nikelin darbe tokluğunu ve tavlı çeliklerde dayanımı artırır. Nikel östenitik paslanmaz çeliklerin kromdan sonra ikinci en önemli alaşım elementidir. Östenitik paslanmaz çeliklerde ki nikel miktarı %7-20 arasındadır. Nikel östenit kararlaştırıcı bir elementtir ve östenitik paslanmaz çeliklerin, adından da anlaşılacağı gibi oda sıcaklığında bile kafes yapısı KYM dir. KYM kafes yapısı östenitik paslanmaz çeliklere yüksek şekillendirilebilme özelliği kazandırır.
Molibden (Mo):
Tane büyümesini önler, sertleşebilme kabiliyetini artırır. Meneviş gevrekliğini giderir. Meneviş sıcaklığından yavaş soğumalarda bazı alaşımların tane sınırlarında karbür çökelmesi meydana gelir, bu da kırılganlığa neden olur. Molibden bu olumsuz etkiyi ortadan kaldırır. Ayrıca molibden çeliklerin sürünme dayancına ve aşınma direncini yükseltir. Alaşımlı takım çeliklerinde önemli bir alaşım elementidir.
Paslanmaz çeliklerde özellikle oyuklanma korozyonunu engellediği için korozyon direncini önemli ölçüde artırır.
Bazı mikro alaşımlı çeliklerde nitrür veya karbonitrür oluşturan alaşım elementi olarak molibden kullanılır.
Kobalt (Co):
Alaşımlı takım çeliklerinde kullanılan bir alaşım elementidir. Takım çeliklerinin sıcakta sertliğini muhafaza etmesi için kullanılır.
Tungsten (W):
Aşınma direncini artıran, sıcakta sertliğin muhafazasını sağlayan bir alaşım elementidir. Özellikle hız çeliklerinde olmak üzere alaşımlı takım çeliklerinde yaygın olarak kullanılan bir alaşım elementidir.
Vanadyum (V):
Tane küçültme etkisi yaparak çeliklerin akma ve çekme dayanımlarını oldukça artırır. Ayrıca sertleşebilme kabiliyetini artırır, menevişleme ve ikinci sertleşmede olumlu etkileri vardır. Alaşımlı takım çeliklerinde kullanım yeri olan bir alaşım elementidir.
Vanadyum, tane küçültücü ve karbür yapıcı etkisi ile,mikro alaşımlı çeliklerde niyobyum ve titanyum ile birlikte kullanılan bir mikro alaşım elementidir. Mikro alaşımlı çeliklerde alaşım elementleri toplamı %0,25 i geçmez. Bu elementler tek, ikili ve üçlü kompozisyonlar halinde mikro yapı içerisinde oluşturdukları karbonitrür çökeltileri ile tane boyutunu inceltmelerinin yanı sıra çökelti sertleşmesi mekanizmasıyla dayanımı artırırlar.
Titanyum (Ti):
Vanadyum gibi tane küçültücü etkisi vardır. Ancak bu etkisi vanadyumun etkisinden daha yüksektir. Mikro alaşımlı çeliklerde mikro alaşım elementi olarak kullanılır. Ayrıca paslanmaz çeliklerde krom karbürün olumsuz etkisini giderebilmek için karbür oluşturucu alaşım elementi olarak kullanılır.
Niyobyum (Nb):
Mikro alaşımlı çeliklerde tane küçültme etkisi en yüksek olan mikro alaşım elementidir. Paslanmaz çeliklerde titanyumun yaptığı etkiye yapar ve titanyumla birlikte veya tek başına kullanılır.
Alüminyum (Al):
Oksijen gidermek için kullanılır. Akma dayanımını ve darbe tokluğunu arttırıcı etki gösterir. Yüksek alüminyum miktarı sürekli dökümlerde nozul tıkanmalarına sebep olur.
Ayrıca alüminyumun tane küçültücü etkisi vardır, nitrasyon çeliklerinin temel alaşım elementidir. Bazı mikro alaşımlı çeliklerde de nitrür ve karbonitrür oluşturan mikro alaşım elementi olarak da kullanılır.
Kalay (Sn):
Akma ve çekme dayanımlarını pek etkilemez, fakat sıcak haddelemelerde sorunlar yaratır. Kalay düşük ergime sıcaklığına sahip bileşikler yaparak haddeleme sırasında kopmalara neden olur.
Bakır (Cu):
Akma ve çekme dayanımını arttırır, yüzde uzamayı ve şekillenebilirliği azaltır. Soğuk çekilebilirliği kötü yönde etkiler. Bu yüzden filmşinlerde ki bakır oranın olabildiğince düşük olması istenir. Korozyon dinencini yükselten etki gösterir.
Kurşun (Pb):
Haddelenebilirliği azaltır. Haddeleme esnasında kopmalara neden olur, yüzey kalitesini olumsuz yönde etkiler. Sürekli dökümlerde sorunlara sebebiyet verir. Kurşun çeliklerin talaşlı şekillendirme kabiliyetine artırır, bu yüzden otomat çeliklerinde alaşım elementi olarak kullanılır.
Azot (N):
İstenmeyen bir elementtir. Azot kırılganlığına neden olur, eğme özelliklerini çok kötüleştirir.
Hidrojen (H):
Hidrojen gevrekliğine neden olur. Azottan daha tehlikelidir. Malzemenin elastikiyetini azaltır.
ALAŞIM ELEMENTLERİNİN
ALÜMİNYUM ALAŞIMLARINA ETKİLERİ
Alüminyum alaşımları üretim metodları esas alınarak işlem ve döküm olmak üzere iki ana alt gruba ayrılabilir. Bu da, imal usullerinin farklı ihtiyaçları olduğunu gösterir Plastik deformasyonla şekillendirilen işlem alaşımlar, döküm alaşımlardan oldukça farklı mikro yapı ve kompozisyona sahiptir. Her ana grup içindeki alaşımlar, ısıl işlem yapılabilir ve yapılamaz alaşımlar olmak üzere, iki alt gruba ayrılabilir. Isıl işlem yapılabilir alaşımlarda, yaşlandırma ile dayanım artışı sağlanabilirken, ısıl işlem yapılamayan alaşımlar ise katı eriyik, pekleşme, dağılım mukavemetlenmesi ile mukavemetlendirilir.
İşlem Alüminyum Alaşımları:
1xxx Ticari saflıkta Al (>%99Al) –Yaşlandırılamaz
2xxx Al-Cu alaşımları –Yaşlandırılabilir
3xxx Al-Mn alaşımları –Yaşlandırılamaz
4xxx Al- Si alaşımları –Eğer magnezyum varsa yaşlandırılabilir
5xxx Al-Mg alaşımları –Yaşlandırılamaz
6xxx Al-Mg-Si alaşımları –Yaşlandırılabilir
7xxx Al-Mg-Zn alaşımları –Yaşlandırılabilir
Döküm Alüminyum Alaşımları:
1xxx Ticari saflıkta Al –Yaşlandırılamaz
2xxx Al-Cu alaşımları –Yaşlandırılabilir
3xxx Al-Si-Cu veya Al-Mg-Si alaşımları –Biraz yaşlandırılabilir
4xxx Al-Si alaşımları –Yaşlandırılamaz
5xxx Al-Mg alaşımları –Yaşlandırılamaz
7xxx Al-Mg-Zn alaşımları –Yaşlandırılabilir
8xxx Al-Sn alaşımları –Yaşlandırılabilir
Isıl İşlem Uygulanamayan İşlem Alüminyum Alaşımları:
1xxx Serisi Alaşımlar:
Bu alaşımlar minimum %99,0 alüminyum, empürite olarak da silisyum ve demir içerirler. Dayanım artışı için %0.12 bakır ilavesi yapılabilir. Bu alaşımlar yüksek oranda haddelenerek levha veya folyo haline getirilerek kullanılırlar. 1100 alaşımının tavlanmış durumda çekme mukavemeti 90 MPa dır.
3xxx Serisi Alaşımlar:
Bu serinin en önemli alaşımı 3003 tür . Bu alaşım 1100 alaşımına %1,25 mangan ilavesi ile oluşturulur. 3003 alaşımının tavlanmış durumda çekme dayanımı 110 MPa dır. Bu da demek oluyor ki mangan ilavesi dayanım artışı sağlar. Bu serinin alaşımları iyi işlenebilirliğin gerektiği yerlerde kullanılabilen genel amaçlı alaşımlardır.
5xxx Serisi Alaşımlar:
Bu serinin ana alaşım elementi olan magnezyum katı eriyik mukavemetlenmesi sağlar ve miktarı %5 e kadar çıkabilir. Bu serinin endüstride kullanılan en önemli alaşımı 5052 dir. Bu alaşım %2.5 Mg, %0,2 Cr içerir ve tavlanmış durumdaki çekme dayanımı 193 MPa dır.
Isıl İşlem Uygulanabilen İşlem Alüminyum Alaşımları:
2xxx Serisi Alaşımlar:
Bu seri alaşımlarının bir çoğuna bakırın yanında magnezyum ve düşük miktarlarda diğer elementler eklenir. 2xxx serisi alaşımları birim ağırlık dayanımının yüksek olması gereken uçak sanayi gibi alanlarda kullanılır. Bu alaşımlar katı eriyik mukavetlenmesi ve çökelti sertleşmesiyle dayanım kazanırlar. Endüstriyel uygulama alanı bulabilmiş en önemli alaşım 2024 alaşımıdır. 2024-T6 alaşımı %4,5 bakır, %1,5 magnezyum ve %0,6 mangan bulundurur ve çekme dayanımı 442 MPa dır.
6xxx Serisi Alaşımları:
Mg2Si intermetalik bileşikleri, çökelti sertleştirilmesi ile dayanım artışı sağlar. En yaygın kullanılan alaşım 6061 alaşımıdır ve bu alaşım %1,0 magnezyum, %0,6 silisyum, %0,3 bakır içerir. 6061-T6 alaşımının çekme mukavemeti 290 MPa dır. Bu seri, otomotiv sektöründe genel amaçlı yapı elemanı olarak kullanılır.
7xxx Serisi Alaşımlar:
Temel çökeltiler MgZn2 intermetalik bileşiğinden oluşur. Çinkonun ve magnezyumun alüminyum içersinde yüksek çözünebilirliği yüksek yoğunluklu çökeltilerin oluşmasını, bu da dayanımın oldukça yükselmesini sağlar. Bu serinin en önemli alaşımı 7075 tir ve bu alaşım %5,6 çinko, %2,5 magnezyum, &1,6 bakır ve %0,25 krom ihtiva eder. 7075-T6 alaşımının çekme dayanımı 504 MPa dır. Bu seri yüksek dayanımın gerekli olduğu yerlerde kendisine uygulama alanı bulur.
Döküm Alüminyum Alaşımlarının Kompozisyonları:
Döküm alüminyum alaşımlarının akıcılık ve besleyicilik gibi dökülebilirlik özellikleri, dayanım, süneklik ve korozyon dirençleri gibi geliştirilmiş alaşımlarıdır. Döküm alaşımlarının kimyasal kompozisyonu dövme alaşımlarının kimyasal kompozisyonundan farklıdır.
Döküm alüminyum alaşımlarından pek çoğu ötektik reaksiyona neden olan düşük ergime noktaları, iyi akıcılık, ve dökülebilirlik sağlayan yeterince silisyum içerir (%5-12 Si). Akışkanlık, sıvı metalin bir kalıba doğru, erken katılaşma olmadan akam yeteneğidir. Dökülebilirlik ise alaşımdan iyi bir dökümün yapılabilmesine işaret eder. Alüminyum silisyum alaşımlarının özellikleri, a alüminyum matrisin katı eriyik mukavemetlenmesi, b fazının dağılım mukavemetlenmesi, ilk tane boyutu, şekli ve aynı zamanda ötektik oluşumu tayin eden katılaşmayla kontrol edilir. Kokil veya pres dökümde ki hızlı soğuma, tane boyutunu ve ötektik mikro oluşumu incelterek genellikle dayanımı yükseltir. Belirli alaşımlarda mikro yapıyı ve bu nedenle de dağılım mukavemetlenmesi düzeyini iyileştirmek amacıyla bor ve titanyum ilaveleri ile tane inceltme, ötektik yapıyı değiştirmek için sodyum veya stronsiyum kullanarak modifikasyon veya birincil silisyumu incelterek mukavemetlenme sağlamak için fosfor ilavesi yapılır.
Döküm alüminyum alaşımlarında % 0;3-1,0 magnezyum ilavesi çökelti sertleşmesine bağlı dayanım artışı sağlar.
Bakır, bazı döküm alüminyum alaşımlarında % 1- 4 oranlarda bulunur. Özellikle yüksek sıcaklıklarda dayanım artışı sağlar.
ALAŞIM ELEMENTLERİNİN
BAKIR ALAŞIMLARINA ETKİLERİ
Arı bakır yumuşaktır, kolay işlenebilir, ısı ve elektrik iletkenliği lehim ve kaynak kabiliyeti yüksektir. Soğuk işlenebilir ve kaplanabilir. Yumuşak olduğu için talaş kaldırırken sıvama yapar, döküm kabiliyeti iyi değildir. Arı bakırın mukavemeti düşüktür.
Arsenikli Bakır:
%0,5 arsenik 400
Gümüşlü Bakır:
%0,03 gümüş ilavesi lehim işleminde yumuşamayı önler, yeniden kristalleşme sıcaklığını yükseltir.
Kurşun, Tellüryum, Selenyum İçeren Bakır:
Bakırın talaşlı imalata uygun hale gelmesini sağlar. Vida, mil ve vidalı makara parçalarının imalatında kullanılır.
Berilyumlu Bakır:
Berilyum ilavesi bakırın ısıl işlem ile mukavemet kazanmasını sağlar.
Bakır Çinko Alaşımları (Pirinçler)
Bileşiminde %37 den az çinko bulunan pirinçler yalnız a fazından oluşmuştur. Bunlara a pirinci denir. a pirincinin en özelliği soğuk şekillendirilebilme kabiliyetinin iyi olmasıdır. a pirinci yapısında kurşun bulunmadığı sürece sıcak şekillendirilebilirler.
%37-47 arasında çinko içeren pirinçler a+b fazından oluşur. Bu pirinçlerin plastik şekil alabilme kabiliyetleri düşük, döküm ve talaşlı işlenebilme kabiliyetleri yüksektir. %47 ten fazla çinko içeren pirinçler ise b fazından oluşur. Bu pirinçlerin de döküm ve talaşlı işlenebilme kabiliyeti yüksektir.
b fazı 456-468
Bakır çinko faz diyagramında artan çinko miktarı ile b fazından sonra ortaya çıkan fazların hiç biri plastik şekil vermeye uygun yapılar değillerdir.
Kalay Bronzları (Geleneksel Bronzlar)
Kalay bronzlarının en önemli özelliği yüksek mukavemet ve korozyon direncine sahip olmalarıdır. Yaklaşık %8 e kadar kalay içeren bronzlar a yapısındadırlar ve plastik şekil değiştirebilirler, soğuk işlenebilirler. %8-20 arasında kalay içeren bronzlar döküm ile şekillendirilmeye uygun malzemelerdir. Bronz içindeki kalay miktarı arttıkça dayanım da artar ve %20 kalay miktarına ulaşıldığında dayanım değeri maksimuma ulaşır. Kalay miktarının %20 yi aşması durumda ise yapı içerisinde oluşan intermetalik fazlara bağlı olarak dayanım değerleri düşer.
Alüminyum Bronzları
Bu bronzlar %3-13 arasında alüminyum içerirler. Yaklaşık %9 alüminyuma kadar plastik şekillendirilmeye uygundurlar. Alüminyum bronzları yüksek mukavemete, korozyon ve aşınma direncine sahiptir. Korozyon direncinin yüksek olması yüzeylerinde meydana gelen Al2O3 tabakasına bağlıdır. Alüminyum bronzları yüksek mukavemetli parçaların, dişlilerin, boruların yapımında ve deniz uygulamalarında kullanılabilir. Çinko ve nikel içeren alüminyum bronzları hafızalı metal olarak bilinir.
Berilyum Bronzları
%1-3 arasında berilyum içeren bronzlar bakır alaşımları içinde en yüksek mukavemete sahip ve en pahalı alaşımlarıdır. Çökelme sertleşmesi ile dayanım kazanırlar. Çekme dayanımı değeri 1380 MPa ve sertlik değeri 40 HRC ye kadar yükselebilir. Kıvılcım çıkarmayan bir alaşımdır, maden ocaklarında ki kazıcılarda kullanılırlar.
Silisyum Bronzları
Yüksek mukavemet ve ye korozyon direncine sahiptirler. Her türlü kaynağa uygundurlar. Isı değiştirici tüpler, basınçlı tüpler, boru, tank, perçin ve cıvata yapımında kullanılırlar.
Alaşımlı Çeliklerde Alaşım Elementlerinin Yaklaşık Dağılımı
| Element | Ferritte Karbürde Çözünen Birleşen | Karbür olarak birleşen | Bileşik | Elemental |
| Nikel | Ni | | Ni 3Al | |
| Silisyum | Si | | | SiO2MXOY |
| Mangan | Mn ← Mn | (Fe, Mn) | MnSi; MnO.SiO2 | |
| Krom | Cr ↔ Cr | (Fe, Cr) | | |
| | | Cr7C3 | | |
| | | Cr23C6 | | |
| Molibden | Mo ↔ Mo | Mo2C | | |
| Tungsten | W ↔ W | W2C | | |
| Vanadyum | V → V | V4C3 | | |
| Titanyum | Ti → Ti | TiC | | |
| Niobyum | Nb → Nb | NbC | | |
| Alüminyum | Al | | Al2O3;AlN | |
| Bakır | Cu (küçük miktar) | | | |
| Kurşun | Pb | | | Pb |
*Oklar listelenen elementlerin ferrittre çözünme veya karbürlerde birleşme eğilimlerini göstermektedir.
Kaydol:
Kayıtlar (Atom)