TUFAL OLUŞUMU VE KUSUR MEKANİZMALARI

ÖZET

Sıcak haddeleme prosesinde, demir ve oksijen arasında gerçekleşen reaksiyon sonucu çelik yüzeyinde demir oksit bileşiklerinin katmanlaşması meydana gelmektedir. Bu katmanlaşma, işlem sıcaklığı, atmosferik oksijen kısmi basıncı, tutma süresi ve havanın akış hızı gibi çok sayıda parametreye bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Oluşan tufal tabakası, mekanik özelliklerine ve çelik yüzeyi ile olan bağlanma kuvvetine göre, haddeleme sırasında kusur oluşumunun temel kaynağını oluşturmaktadır. Bu rapor, tufal oluşum mekanizmaları, yapısal özellikler, haddeleme prosesi içinde kusur oluşum yollarını ve karakterizasyon tekniklerini detaylı olarak açıklamaktadır.

Anahtar Kelimeler: Tufal, demir oksit, oksidleme, Fe-O diyagramı, descale, haddeleme kusurları, SEM-EDS, metallografi

---

1. GİRİŞ VE TANIM

1.1 Tufal Nedir?

Endüstriyel ölçekte üretilen çelik, sıcak durumda işlem görmektedir. Yüksek sıcaklıkta (900-1200°C) demir atomunun çevresinde mevcut oksijen, demir ile reaksiyona girerek demir oksit bileşikleri oluşturmaktadır. Bu demir oksit tabakasına metalurji terminolojisinde tufal (scale) adı verilmektedir.

Tufal, yalnızca çelik yüzeyinde değil, çeliklerin fiziksel özelliklerini belirleyen yapıya kadar nüfuz edebilmektedir. Örneğin, yüksek sıcaklıkta kalıcı yer alan bir çelik numunesini incelediğimizde, çelik alt yapının değiştiğini, bu bölgede demir oksit bazı küçük kristallerinin çeliğe karışmış olduğunu görebiliriz. Bu durum iç oksidasyon (internal oxidation) olarak adlandırılmaktadır.

1.2 Tufal Oluşumunun Endüstriyel Önemi

Sıcak haddeleme sürecinde oluşan tufal tabakasının endüstriye getirdiği maliyet oldukça yüksektir:

• Ürün Kalitesi: Tufalın yüzeye batması, kalıcı ve ekonomik olarak geri dönüşü olmayan kusurlar meydana getirmektedir.
• Üretim Verimliliği: Descaling (tufal temizleme) operasyonu ek enerji ve su tüketimi gerektirir.
• Çevresel Etki: Descaling suyu ve atık tufalın bertaraf edilmesi çevresel yönetim gerektirmektedir.
• Müşteri Memnuniyeti: Yüzey kusurları nedeniyle müşteri itirazlarının artması.

Bu nedenle, tufal mekanizmalarının derinlemesine anlaşılması, modern çelik üretim teknolojisinin merkezi konularından biri haline gelmiştir.

---

2. TUFAL YAPISI VE BILEŞIMI

2.1 Demir-Oksijen Sistemi

Demir, bulunduğu ortamdaki oksijen miktarına göre üç farklı oksit bileşiği meydana getirmektedir:

#### Wüstit (FeO) - Tuzlu Oksit:

• Kimyasal formül: FeO (yaklaşık %22 oksijen içeriği)
• Yoğunluk: 5.52-7.5 g/cm³ (gözenekli yapısı nedeniyle değişken)
• Sertlik: 270-350 HV (yumuşak, plastik)
• Rengi: Gümüş-gri tonu
• Termodinamik stabilite: 570-1371°C arasında

Wüstit, yüksek sıcaklıkta termodinamik olarak kararlı olan ve demir oksidleri arasında en yumuşak olanıdır. Elastik özellikleri sayesinde, sıcak metalin hareketini takip edebilmektedir. Ancak, soğuma sırasında wüstit tabakasının bozunması (FeO → Fe₃O₄ + Fe) meydana gelmektedir.

#### Magnetit (Fe₃O₄) - Üçlü Oksit:

• Kimyasal formül: Fe₃O₄ (yaklaşık %28 oksijen içeriği)
• Yoğunluk: 5.18 g/cm³
• Sertlik: 420-500 HV (orta sertlikteki oksit)
• Rengi: Siyah-gri
• Termodinamik stabilite: Geniş sıcaklık aralığında (400-1600°C)

Magnetit, wüstit ve hematit arasında ara konumda bulunan ve sıcak haddeleme prosesinin çoğu bölgesinde meydana gelen temel oksit fazıdır. İç yapısında Fe²⁺ ve Fe³⁺ iyonlarını içermektedir.

#### Hematit (Fe₂O₃) - Trivalent Oksit:

• Kimyasal formül: Fe₂O₃ (yaklaşık %30 oksijen içeriği)
• Yoğunluk: 5.24 g/cm³
• Sertlik: 1000 HV (çeliğin 250-400 HV'den oldukça yüksek)
• Rengi: Kırmızı-kahverengi
• Termodinamik stabilite: >950°C'de meydana gelir ve soğuk durumda kararlıdır

Hematit, tüm demir oksitleri arasında en sert olanıdır. Yüksek sıcaklıkta furnace içinde uzun süreli bekleyen pik ve kenarlarında hematit tabakası oluşmaktadır. Bu hematit tabakası, çeliğin yüzeyini sertleştirdiğinden, haddeleme sırasında çelik yüzeyine batarak kalıcı kusurlar meydana getirmektedir.

2.2 Tufal Kesit Mikroyapısı

Tipik bir sıcak haddeleme prosesinden sonra tufal tabakasının kesit incelemesinde, karakteristik bir tabakalı yapı gözlemlenmektedir:

┌─────────────────────────────────────────┐
│  Dış Yüzey (Atmosferle temas eden kısım) │
├─────────────────────────────────────────┤
│  Fe₂O₃ (Hematit) - Kırmızı, çok sert    │  ~ 5-10 μm
│  Kalınlığı: Sıcaklık ve tutma süresine │
│  bağlı olarak değişken                  │
├─────────────────────────────────────────┤
│  Fe₃O₄ (Magnetit) - Siyah, orta sertlik│  ~ 15-25 μm
│  Gözenekli yapı, iç oksidasyon bölgeleri│
│  FeO + Fe₃O₄ ötektik yapıları          │
├─────────────────────────────────────────┤
│  FeO (Wüstit) - Gümüş-gri, yumuşak     │  ~ 10-15 μm
│  Metal-oksit ara yüzüne yakın bölge    │
│  Yumuşak, plastik yapıda                │
├─────────────────────────────────────────┤
│  İç oksidasyon bölgesi                   │  ~ 5-10 μm
│  Çelikteki demir atomlarının kısmen    │
│  oksitlenmiş hali, ferrit matris       │
│  içinde oksit partikülleri              │
├─────────────────────────────────────────┤
│  Ana çelik (ferrit/perlit yapısı)       │
└─────────────────────────────────────────┘

Bu tabakalı yapı, oksidasyonun katı-hal difüzyonu mekanizması ile ilerlemesi sonucu meydana gelmektedir. Yüksek sıcaklıkta oksijen atomları çeliğe nüfuz ederek aşamalı olarak oksidleme gerçekleşmektedir.

2.3 Tufal Tabakasının Termo-Fiziksel Özellikleri

Tufal bileşiklerinin makroskobik ölçekte karakteristik özellikleri aşağıda tablo halinde özetlenmiştir:

Açıklama:

• Yoğunluk: Wüstit gözenekli yapısı nedeniyle yoğunluğu en değişken olanıdır. Bu gözeneklilik, atom difüzyonunun hızlı olması ile ilişkilidir.

• Sertlik: Hematit sertliği (1000 HV), çeliğin sertliğinden (250-400 HV) 2.5-4 kat daha yüksektir. Bu sebeple, haddeleme sırasında hematit içeren eski tufal parçaları çelik yüzeyine batarak kalıcı kusurlar meydana getirmektedir.

• Termal iletkenlik: Magnetit ve hematit, wüstitten daha düşük termal iletkenliğe sahiptir. Bu durum, oksit tabakasının ısı transferini kısıtlaması anlamına gelir ve sıcaklığın tufal tabakasında birikme eğilimini gösterir.

• Ergime noktası: Magnetitin ergime noktası (1600°C) wüstitten (1371-1424°C) daha yüksektir. Yüksek sıcaklıklarda (1200°C+) wüstit tabakasının kısmen erimesi mümkün olmaktadır.

---

3. TUFAL OLUŞUMUNU ETKİLEYEN PARAMETRELER

Sıcak haddeleme prosesinde tufal oluşumu, çok sayıda birbirleriyle ilişkili parametreye bağlıdır. Bu parametreleri genel olarak beş kategoriye ayırabiliriz:

3.1 Sıcaklık, Tutma Süresi ve Oksijen İçeriği

Sıcaklık Etkisi:

Sıcaklık, difüzyon hızını kontrol eden temel parametredir. Arrhenius denklemi uyarınca:

D(T) = D₀ · exp(-Q/RT)

Burada:
D = Difüzyon katsayısı
Q = Aktivasyon enerjisi (~150-200 kJ/mol)
R = Gaz sabiti
T = Mutlak sıcaklık

Her 50°C sıcaklık artışı, oksidasyonun hızını yaklaşık 2 kat arttırmaktadır.

Tutma Süresi Etkisi:

Tufal kalınlığı, parabolik büyüme yasasına uyarak süreden karekök ile orantılıdır:

Tufal Kalınlığı = k(T) · √t

1200°C'de 15 dakika → ~20-25 μm tufal
1200°C'de 60 dakika → ~40-50 μm tufal

Tufal kalınlığı, aynı sıcaklıkta 4 kat daha uzun tutulduğunda sadece 2 kat artar. Bu durum, yüzeyde meydana gelen oksit tabakasının bir bariyer olarak hareket etmesi ve oksijen difüzyonunu kısıtlaması nedeniyledir.

Oksijen Kısmi Basıncı Etkisi:

Furnace içindeki oksijen miktarı, Fe-O sisteminin hangi bölgesinde bulunduğunu belirler. Düşük oksijen atmosferi (inert gazlar veya kontrollü atmosfer):

• Wüstit oluşumunu teşvik eder
• Hematit oluşumunu minimize eder

Yüksek oksijen atmosferi (air-rich):

• Hematit oluşumunu arttırır
• Sert oksit tabakası meydana getirir

3.2 Kimyasal Bileşim

Çelikteki alaşım elementleri, tufal yapısını ve adhezyon kuvvetini belirgin şekilde etkilemektedir.

#### Silisyum (Si):

Silisyum, sıcak haddeleme prosesinde en problematik elementlerden biridir. Si > 0,10% içeren çeliklerde, yüksek sıcaklıkta (1177°C üzerinde) silikat ergitmesi (fayalit: Fe₂SiO₄) meydana gelmektedir.

Fe + Si + O₂ → Fe₂SiO₄ (Fayalit - sıvı cam faz)

Bu sıvı cam faz, tufal matriks içinde yüksek yüzey gerilimi göstermekte ve çelik yüzeyine çok güçlü şekilde bağlanmaktadır. Descaling (yüksek basınçlı su) ile bu yapı kaldırılmakta zorluk çekmektedir. Sonuç olarak, "kırmızı tufal" (red scale) kusuru meydana gelmektedir.

#### Fosfor (P):

Fosfor, tufal yapısında fosfat cam tabakası oluşturmaktadır. 800-950°C aralığında, bu fosfat tabakası plastisite göstermediğinden, içinde boşluk meydana gelirse (buhar cepleri), patlayıcı türde buharlaşma nedeniyle tufal kabarcıkları oluşmaktadır. Bu durum "blisterling" (kabarcıklanma) adı verilmektedir.

#### Manganese (Mn) ve Sertlik:

Manganez, düşük sıcaklıkta tufal sertliğini arttırırken, yüksek sıcaklıkta (>1050°C) adhezyon gücünü iyileştirir. Mn-ferritler oluşarak tufal-metal ara yüzünü güçlendirir.

#### Kükürt (S):

Yüksek kükürt içeriği (S > 0,02%), tufal-metal ara yüzünde zayıf bölgeler meydana getirerek adhezyon kuvvetini azaltır. Bu özellik, sert kırmızı tufal oluşumunu engellese de, tufalın kohezyonunu (kendi içsel bağlılığını) zayıflatarak brittle (kırılgan) bir yapı meydana getirmektedir.

#### Alüminyum (Al):

Alüminyum, Fe-Al spinel (FeAl₂O₄) fazı oluşturarak oksijen difüzyonunu sınırlandırmakta ve tufal tabakasını daha kompakt hale getirmektedir.

3.3 Descale Operasyonu

Sıcak haddeleme prosesinin en kritik safalarından biri, oluşan tufalı çelik yüzeyinden temizlemektir. Descale, mekanik kuvvet ve termal şokun kombinasyonu ile gerçekleştirilmektedir.

3.4 Merdane Özellikleri

İş merdanelerinin:

• Yüzey durumu (oksitlenme, aşınma)
• Sıcaklığı
• Sürtünme katsayısı (friction coefficient)

Tufal yapısına etki etmektedir. Aşınan merdaneler, yüzey hızını değiştirerek tufal-çelik ara yüzündeki mekanik gerilimi değiştirir.

4.2 Soğuma Sırasında Faz Dönüşümleri

Yüksek sıcaklıktan oda sıcaklığına soğuma sırasında, tufal yapısında önemli dönüşümler gerçekleşmektedir. Soğuma hızı, son oksit yapısını belirlemektedir:

#### Çok Hızlı Soğuma (>100°C/min):

Wüstit, kararlı olduğu sıcaklığın altında soğutulduğunda tam olarak bozunamamaktadır. Sonuç olarak:

• FeO + Fe₃O₄ karışık yapısı ortaya çıkmaktadır
• Gözenekli yapı meydana gelmektedir
• Fe ve FeO tanecikleri birlikte yer almaktadır

#### Hızlı Soğuma (10-50°C/min) - Tipik Haddeleme:

Bu soğuma rejimine tabi tutulan tufal:

Dönüşüm Mekanizması:

FeO → Fe₃O₄ + Fe  (Bozunma)
        ↓
    Ötektik oluşumu (FeO-Fe₃O₄)
        ↓
    Magnetit tabakası meydana gelişi
        ↓
    Metal-oksit ara yüzünde Fe ince tabakası

Ara yüzde Fe ince tabakası, metal ile oksit arasında metalik bağlanma sağlamaktadır.

#### Yavaş Soğuma (1-5°C/min):

Tam termodinamik dengeyse ulaşılmaktadır:

• FeO tamamen bozunur
• Fe₃O₄ magnetit meydana gelir
• Ötektik yapı gelişmiş hale gelir
• Iç oksidasyon daha derinlere nüfuz eder

#### Çok Yavaş Soğuma - Hava Olmaksızın (<1°C/min):

Bu durumda:

• FeO'nin tamamı Fe₃O₄'e dönüşür
• Kuarss magnetit yapısı ortaya çıkar
• Gözeneklilik minimize edilir
• En yoğun tufal yapısı meydana gelir

Pratikte, sıcak haddeleme prosesinde coil boxında hızlı soğuma sırasında oluşan yapı en yaygındır ve bu yapıda magnetit-wüstit ötektik tabakası karakteristiktir.

---

5. ETKİ ÖRNEĞİ

5.1 Silisyum İçeriğinin Etkisi - Kırmızı Tufal Mekanizması

(Si > 0,15%) ve petrol borusu çeliği (Si > 0,20%) türlerinde "kırmızı tufal" defekti sıklıkla gözlemlenmiştir.

Meydana Gelmesi:

1. Furnace içinde 1180°C üzerinde sıcaklıkta Si varlığında fayalit (Fe₂SiO₄) sıvı cam fazı meydana gelmektedir.

1. Bu sıvı cam, tufal matriks içinde düşük viskoziteli bir faz olarak hareket ederek:

- Yüksek yüzey gerilimi nedeniyle güçlü adhezyon meydana getirir

- Mekanik olarak (yüksek basınçlı su) kaldırılması zordur

1. Haddeleme sırasında:

- Soğuma sonrası bu parçalar metalik bağlar ile sabitlenmektedir

1. Asitleme hattında:

- Yüzey defektleri olarak gözlemlenebilir bir "kırmızı-mat" görünüm meydana gelir

Metallografik Kanıtlar:

SEM-EDS analizi yapılan kesitlerde:

• Dış tabaka: Fe₂O₃ hematit (kırmızı)
• Orta tabaka: Si-içerikli ötektik (fayalit) + magnetit
• İç tabaka: FeO-Fe₂SiO₄ ötektik
• Metal ara yüzü: İç oksidasyon bölgesi

XRD analizi, fayalit fazının kristal piklerini açıkça göstermektedir.

5.2 Prevent Edici Çözümler

Kimyasal Ayarlama:

• Fosfor artırılması (P > 0,02%)
• Silisyum azaltılması (Si < 0,11%)
• Bu kombinasyon, fayalit viskozitesini değiştirerek adhezyon kuvvetini azaltır

Proses Kontrol:

• Furnace sıcaklığı 1150°C'nin altında tutulması
• Descale basıncının 260 bar'a yükseltilmesi
• Hadde arası (inter-stand) descale sistemi kullanılması

---

6. DESCALE (TUFAL TEMIZLEME) PROSESİ

6.1 Amacı ve Önemi

Sıcak haddeleme prosesinin çeşitli aşamalarında oluşan tufal, mekanik kuvvet veya termal şok ile çelik yüzeyinden çıkarılmaktadır. Bu operasyon descaling olarak adlandırılmaktadır.

Kritik Önem:

Hematit sertliği (1000 HV), çeliğin sertliğinden (250-350 HV) 3 kat fazladır. Haddeleme sırasında temizlenmeyen eski tufal parçaları çelik yüzeyine batarak:

• Kalıcı yüzey çentikleri meydana getirmektedir
• Müşteri tarafından reddedilen ürünlere neden olmaktadır
• Geri dönüşü olmayan kalite kaybı meydana getirmektedir

6.2 Hidro-Mekanik Temizleme Mekanizması

Descaling, dört temel mekanizmanın eş zamanlı işlemesi ile gerçekleştirilmektedir:

#### Mekanizma 1: Kinetic Enerji Darbesı

Yüksek basınç altında (210-260 bar) su jetinin doğrudan çarpması:

Kinetik Enerji = ½ · m · v²
Basınç = F/A = (ρ · A · v²) / A = ρ · v²

Burada ρ = su yoğunluğu, v = jet hızı

Jet hızının kuvvetli darbesinin tufal tabakasını mekanik olarak disloke etmesi.

#### Mekanizma 2: Termal Stres Kırılması

Descaling suyu, çelik yüzeyini ani şekilde soğutmaktadır:

• Yüzey sıcaklığı: 1000°C (haddelenmiş çelik)
• Su sıcaklığı: 20-30°C
• Termal gradyent: ΔT = 970-980°C

Bu muazzam sıcaklık farkı:

• Yüzey tabakasında hızlı soğuma meydana getirmektedir
• Tufal ile çelik arasındaki termal genleşme katsayısının farkı (α_oxide ≠ α_steel) nedeniyle farklı oranlarda büzülmektedir
• Ara yüzde kesme gerilmeleri (shear stress) meydana gelmektedir
• Tufal tabakasında makro çatlaklar başlamaktadır

#### Mekanizma 3: Buhar Patlaması (Steam Explosion)

Su damlacıkları, tufal altında ısı etkisi ile hızlı buharlaşmaktadır:

H₂O(sıvı) + Sıcaklık → H₂O(buhar) + Basınç

Bu basınç, tufal-metal ara yüzünü patlayıcı biçimde ayırmaktadır.

Lokalize buhar patlakları, tufal tabakasının altında yüksek basınç (+100 bar) meydana getirerek, tufal fragmanlarını çabucak koparıp çıkarmaktadır.

#### Mekanizma 4: Mekanik Aşındırma ve Alttan Kesme

Yüksek hızlı su jeti, tufal tabakasındaki çatlak ve çizgilere nüfuz ederek:

• İç yapıyı aşındırmaktadır (erosion)
• Tufal tabakasının altından kesme kuvvetleri oluşturmaktadır
• Gevşek oksit parçacıklarını mekanik olarak temizlemektedir

Bu dört mekanizma eş zamanlı olarak işlemesi nedeniyle, descaling çok etkili bir şekilde gerçekleştirilmektedir.

6.3 Descale Parametreleri ve Sistem Kontrolü

Etkili bir descaling sistemi, aşağıdaki parametrelerinin optimize edilmesini gerektirir:

Basınç: 210-260 bar optimal aralıktadır.

• <130 bar: Yetersiz (özellikle hematit oluştuğu durumlarda başarısız)
• 210 bar: Standart kaliteler için yeterli
• 260+ bar: Silisyum içeren "sert" çeliklerde gerekli
• >300 bar: Çelik yüzey erozyon riski

Nozzul Açısı: 15° tipiktir.

• Üst header: 15° aşağıya doğru
• Alt header: 15° yukarıya doğru
• Bu açı, tufal tabakasının tam kesitinden geçişi sağlamaktadır

Nozzul Aralığı: Çizgili kapsej boşluğunun tamamen kaplanması gerekir.

• Çok yakın nozzul: Aşırı ıslanma ve çelik yüzey hasarı riski
• Çok uzak nozzul: Kapsaj alanında temizlenmemiş tufal kalır

Basınç Testi: Sacrificial (feda) çelik bloklara descaler jet uygulanarak oluşan izlerin mükemmel olup olmadığı kontrol edilir.

---

7. MERDANE ETKİSİ VE AŞINMA MEKANİZMASI

7.1 Merdane-Tufal İnteraksiyonu

İş merdaneleri (work rolls), direkt olarak haddelenmiş çelik yüzeyine temas etmektedir. Merdane yüzeyinin durumu, tufal yapısına aşağıdaki yollarla tesir etmektedir:

#### Sürtünme Katsayısı (Friction Coefficient):

Hadde oymasında Sürtünme: f = Rolling Pressure / Distance in Roll Gap

μ = f(Roll Surface Condition, Lubrication, Oxide Layer)

Merdane yüzey oksidasyonu arttıkça, sürtünme katsayısı artmaktadır:

• Yeni (ground) merdane: μ ≈ 0,20-0,22
• Oksitlenmiş merdane: μ ≈ 0,24-0,26
• Aşınan merdane: μ ≈ 0,27-0,30
• Cilt banlaşması (banding): μ flucautates 0,28-0,32

Yüksek sürtünme, tufal tabakasında yüksek kesme gerilmesi meydana getirerek erken çatlamaya neden olmaktadır.

7.2 Merdane Aşınma Evresi

Merdane yüzeyinin hizmetteki ömrü, belirli evreleri izlemektedir:

#### Evre 1: Taşlama (Ground) Fazı

• Yeni merdane makinede ince taşlanır
• Paralel taşlanma izleri görülür
• Gözenekli yapı minimal
• Oksidasyon başlamadı

#### Evre 2: Oksidasyon Fazı

• Işık altında kahverengi tinti görülür
• Oksit katmanı başlangıç seviyesi
• Sürtünme artışı başlar (μ: 0,22 → 0,24)
• Hafif kusur işaretleri görülmektedir

#### Evre 3: Aşınma (Wear) Fazı

• Materyal kaldırılması başlar
• Yüzey pürüzlülüğü artar
• Lokalize çatlaklar (pittling) başlar
• Kusurlar belginleşir

#### Evre 4: Kuyruklu Yıldız (Comet Tail) Fazı

• Haddle yönüne paralel uzamış aşınma iz leri
• Şiddatli yüzey hasarı
• μ ≈ 0,26-0,30 (instabil)
• Kalite defektleri sistemik hale gelir
• Merdane değişiminin işareti

#### Evre 5: Bantlaşma (Banding) Fazı

• Ciddi enine şeritler (striations)
• Tamamen degrade olmuş yüzey
• Kullanılamaz durumdadır
• Zorunlu değişim

7.3 Kusur Mekanizması: Sürtünme Artışı

Merdane aşınması arttıkça, oluşan mekanik gerilme şu denklemle ifade edilir:

Tufal İçindeki Gerilim = f(μ) · P · (Geometrik faktör)

μ arttıkça → Gerilim artar → Çatlama başlar

Praktik örnekler:

• 0-5 günlük operasyon: Minimal kusur (μ ≈ 0,22-0,23)
• 6-10. günler: Comet tail işaretleri başlar
• 11-15. günler: Çatlama kusurları belginleşir
• 16-20. günler: Banding defektleri ortaya çıkar (zorunlu değişim)

Preventif Bakım: Kurallı zamanlama ile merdaneleri 12. günde değiştirmek (defekt görülmeden), 20. günde görünen banding defektlerine izin vermektense daha ekonomiktir.

---

8. HADDELEME SIRASINDA KUSUR OLUŞUM MEKANİZMALARI

8.1 Genel Sınıflandırma

Haddeleme prosesinde ortaya çıkan tufal kusurları, dört ana mekanizmaya göre sınıflandırılmaktadır:

8.2 TIP A: Heterojen Tufal

Tanım: FSB (Finish Stand Before) çıkışında yer alan kalıntı tufal ve ikincil tufal parçalarının haddeleme sırasında çeliğin içine gömülmesi.

Meydana Gelişi:

1. Kaba hadde sonrası descale yetersiz kalır
2. İkincil tufal ve temizlenmeyen kalıntılar yüzeyde remains
3. FM'ye giriş sıcaklığında (950-1000°C) bu kalıntılar çelik yüzeyine batarlar
4. Soğuma sonrası metalik bağlarla tutunurlar

Metallografik Görünüş: SEM-EDS incelemesinde:

• Çelik matrix içinde dağınık oksit fragmanları
• Random kristal oryantasyonu
• Sınırlı metal-oksit geçiş bölgesi

Yapı Kalitesi: Kara (siyah) oksit tanecikleri olarak yüzey incelemesinde görülür.

8.3 TIP B: Merdane Öncesi Tufal Davranışı

Mekanizma: Merdane kapması öncesinde oluşan gerilmeler.

Termal Germe (Thermal Germing):

Kapma noktasına ulaşmadan önce, tufal tabakası:

• Yüksek genleşme gerilmelerini (tensile stress) karşılamakta
• Kendi ağırlığı ve bu gerilmeler altında plastik deformasyon göstermektedir
• Dış yüzeyde hematit tabakası sert ve kırılgan olduğundan çatlamaktadır

Bu çatlaklar, merdane kapmasından çok önce başlamakta ve fragman oluşumuna neden olmaktadır.

Wüstit tabakası, sicak ve yumuşak olmasına rağmen, bending momenti altında:

• Lokal buckle (kıvrılma) meydana getirmektedir
• Buckle alanı merdaneye ilk girmesinden önce kolapsı olur
• Bu kolaps, metal-oksit ara yüzünün altında oksiti yerleştirmektedir

Sonuç: Yüzeyde dağınık çukur ve çentikler olarak gözlenen kusurlar.

8.4 TIP C: Merdane Altında Tufal Davranışı

Merdane kapması bölgesinde (roll bite) ve sonrasında gelişen kusurlar.

Sub-mekanizma C1: Kapma öncesi çatlak

Stress State Before Bite:
  
Dış yüzey (hematit) ──────→ Tensile stress
Orta katman (magnetit) ───→ Compressive stress  
İç katman (FeO) ──────────→ Kompleks stress
Metal ara yüzü ───────────→ Shear stress

Bu kompleks gerilim durumu, çatlaklanma başlamasına neden olur.

Çatlaklar, merdanenin tutması noktasından 10-20 mm önce başlamakta ve parçalanmaya neden olmaktadır.

Sub-mekanizma C2: Metal-oksit ara yüzey düzensizlikleri

Tufal tabakasının metal yüzeyi, mükemmel düz değildir. Asperity (tırnak gibi çıkıntılar) meydana gelmektedir:

Merdane basıncı altında, high spots (yüksek noktalar) yoğunlaşmış gerilim altına girermektedir ve lokal void (boşluk) meydana gelmektedir. Bu boşluk, haddeleme sırasında çatlak başlatma noktası (crack initiation site) olur.

Sub-mekanizma C3: Oksit pad bariyeri

Fragmente oksit parçaları, merdane giriş bölgesinde birikmektedir. Bu birikim:

• Yüksek gerilim alanı (stress field) oluşturmaktadır
• Metal akışını sınırlamaktadır
• Pad'ın çevresinde şiddetli strain meydana getirmektedir
• Oksit pad'ın çeliğin içine gömülmesine neden olmaktadır

Sonuç olarak, lokalize ve derin kusurlar meydana gelmektedir.

8.5 TIP D: Merdane Aşınması/Bozunması

Mekanizması:

Merdane aşınması → Yüzey pürüzlülüğü artışı → Sürtünme katsayısı artışı (μ ↑)

μ = 0.20 (Yeni) ─→ 0.22 ─→ 0.24 ─→ 0.26 ─→ 0.28 ─→ 0.30+ (Banding)

Gerilim (σ) ∝ μ · P   olduğundan

σ de artarak,  σ_critical aşılmaktadır
        ↓
Tufal tabakasında spontan çatlaklanma başlar
        ↓
Merdane izlerine paralel kusurlar (banding)

Pratikte Gözlenen Progresyon:

Merdane değişiminden sonra 50. strip:

• μ ≈ 0,20-0,22 (minimal kusur)

Merdane değişiminden sonra 100. strip:

• μ ≈ 0,23-0,25 (Comet tail işaretleri)
• Hafif çizgi kusurları görülür

Merdane değişiminden sonra 150. strip:

• μ ≈ 0,25-0,27 (linear marks artışı)
• Kusurlar daha belgindir

Merdane değişiminden sonra 200. strip:

• μ ≈ 0,28-0,30+ (Banding başladı)
• Ürün reddedilir seviyesinde kusur
• Değişim zorunlu

---

9. HADDELEME SIRASINDA KUSUR OLARAK ÖNE ÇIKAN TUFAL TİPLERİ

9.1 Yetersiz Descale Kaynaklı Birincil Tufal

Adlandırılması: "Sıcaklık Tufali" (Heat Scale)

Bulunduğu Kaliteler: Tüm kalitelerde görülebilir.

Görünümü: Siyah-gri, dağınık şekilde yayılmış.

Kusur Mekanizması:

Furnace çıkışında oluşan birincil tufal (primary scale), slab yüzeyinde kalınlığı 30-50 μm'e ulaşabilmektedir. Bu tufal, sertliği (1000 HV nedeniyle), haddeleme sırasında çelik yüzeyine batarsa, kalıcı kusur meydana gelmektedir.

Kök Nedenler:

1. Descale nozzllarının tıkanıklığı
2. Descale basıncının yetersiz olması
3. Descale açısının yanlış ayarlanması
4. Furnace içinde yapışkan tufal oluşması (düşük O₂, yüksek sıcaklık)

Prevensyon:

• Descale basıncını 260 bar'a yükseltmek
• Furnace sıcaklığını optimize etmek (1150-1200°C)
• Furnace atmosferinin oksijen içeriğini kontrol etmek (air/gas oranı)
• Nozzulları düzenli temizlemek

9.2 Kalıntı Birinci Tufalın Batması (Sagger Tufali)

Görünümü: Gözyaşı damlası şeklinde, dağınık.

Meydana Gelişi:

Furnace içinde uzun süre kalan slab:

• Çeşitli sıcaklıklarda sıcak kalır
• Furnace duvarına temas etmektedir
• Lokal hot spots meydana gelir
• Hematit zengin tufal oluşur

Bu eski tufal parçaları, furnace çıkışında çelik yüzeyine yapışkın halde kalabilmektedir. Subsequent işlem sırasında bu parçalar batmaktadır.

Prevensyon:

• Furnace içinde tufalı çıkış öncesi temizlemek
• Slab pozisyonlama (duvardan uzaklaştırma)
• Bölgesel sıcaklık kontrolü

9.3 M Tufali (Merdane Isınması Kaynaklı)

Görünümü: M harfine benzer şekil, saçılmış dağılım.

Meydana Gelişi:

Kaba hadde çıkışında sıcaklık >1080°C ise, FM giriş sıcaklığı da >1000°C'ye ulaşmaktadır. Bu yüksek sıcaklıkta:

• İş merdaneleri ısınmaktadır
• Yüzey oksidasyonu ivme kazanmaktadır
• Merdane yüzeyindeki oksit tabakası kalınlaşmaktadır

Bu durumda, yüksek sıcaklığın etkisi ve merdane-induced oxidation sonucu, tufal yapısında yoğun çatlaklanma meydana gelmektedir.

Prevensyon:

• Kaba hadde çıkış sıcaklığı <1080°C
• FM giriş sıcaklığı <1000°C
• İş merdanelerinin soğutulması (roll-gap cooling)

9.4 Coil Box Kuyruklu Yıldız Tufali (Drag/Comet Type)

Eğilimli Kaliteler: IF (Interstitial Free), SPH 440 (drawing-quality grades)

Lokasyonu: Sıcak haddelenmiş bobin, çoğunlukla çeyrek bölgesinde, alt yüzey.

Görünümü: Kuyruklu yıldız şekli, drag işaretleri.

Meydana Gelişi:

Coil box'ta bobin (coil) ovalliğine (yuvarlak olmayışına) sahiptir. Transfer bar'lar, bobin taşıyıcı görevini görürken unflatness meydana getirmektedir. Bu geometrik değişimlikler:

• Lokalize yüksek basınç noktaları meydana getirmektedir
• Tufal tabakasının parçalı şekilde hasarlanmasına neden olmaktadır
• "Drag" kusuru adı verilen doğrusal izler kalır

Prevensyon:

• Doğrultucu (straightening) cihazının kullanılması
• Coil box'ta bobin sargı sıkılığının optimizasyonu
• Aşınan transfer barların değiştirilmesi

9.5 Yetersiz Descale Kaynaklı İkincil Tufal (Descale Tufali)

Lokasyonu: Şerit boyu boyunca (lineer).

Görünümü: Çizgisel, dar bantlar halinde.

Meydana Gelişi:

Kaba hadde ve FM arasında, descale nozzullarından biri kısmi olarak tıkanmış ise, tufal temizleme eksik kalır. Bu alan:

• Haddeleme sırasında çelik yüzeyine batmaktadır
• Lineer kusur olarak kayıt (record) kalır

Kök Nedenler:

1. Nozzul tıkanıklığı (mineral tortu, pas)
2. Basınç düşüklüğü (sistem kaçağı)
3. Nozzul açı hatasız ayarlanması
4. Descale filtresinin kirli hale gelmesi

Prevensyon:

• Descale basıncı kontrolü (Descale Pressure Test)
• Nozzulların regueler temizlenmesi
• Filtre kontrol ve değişimi
• Dual descale sistemi kullanımı (kritik kalitelerde)

9.6 Merdane Aşınması Kaynaklı Üçüncül Tufal

Görünümü: Tuz-kırmızı desen veya çapraz bantlar.

Meydana Gelişi:

Merdane aşınması arttıkça (banding başlangıcı), yüzey geometrisi düzensiz hale gelmektedir:

• Friction coefficient yüksek ve instable (oscillating)
• Tufal tabakasında yüksek shear stresses meydana gelir
• Merdane profili izleri çelik yüzeyde kaydedilir

Prevensyon:

• Preventif merdane değişimi (12. günde, 15. günde defekt görülmeden)
• Roll-gap cooling sistemi
• Merdane yağlama (roll lubrication)
• Programmın optimize edilmesi

9.7 Döküntü Tufal Batması (Rolled-In Dirt)

Görünümü: Bölgesel delik görünümü (pit-like).

Meydana Gelişi:

Tufal toplama sistemi yeterince etkili değilse, tozlar hadde ayakları etrafında birikebilir. Vibrasyon sonrası bu tozlar çelik yüzeyine düşerek batmaktadır.

Prevensyon:

• Tufal toplama sistemi etkinliği
• Hadde ayağı çevre temizliği

9.8 Kırmızı Oksit (Silicon/Red Scale/Tiger Scale)

Eğilimli Kaliteler: Si ≥ 0,10%, Cu ≥ 0,40%, Cr ≥ 0,40%, DP 600, FB600, mikro alaşımlı çelikleri.

Görünümü: Mat, uzamış lokalize benekler, yamalı görünüm, çizgisel izler.

Fiziksel Mekanizması - Fayalit Oluşumu:

Yüksek Sıcakta (>1177°C):
Si + Fe + O₂ + ısı → Fe₂SiO₄ (Fayalit sıvı cam faz)

Fayalit fiziksel özellikleri:
Sıvı cam, yüksek yüzey gerilimi
Düşük viskozite (metal yüzeydeki pürüzlüklere nüfuz)
Oksit matriks içinde dağılım
Mekanik descaling ile kaldırılması zor

Metallografik İmza:

SEM-EDS incelemesi yapılan kesitlerde:

YÜZEY
  ↓
Dış: Fe₂O₃ hematit tabakası (5-10 μm)
  ↓
Orta: Si-içerikli fayalit + magnetit (15-25 μm)
      (EDS: Si peaks belirgin, Fe-O-Si kombinasyonu)
  ↓
İç: FeO-Fe₂SiO₄ ötektik yapı (10-15 μm)
  ↓
İç oksidasyon: Ferrit içinde dağınık oksit tanecikleri (5-10 μm)
  ↓
ANA ÇELİK

Prevensyon Stratejisi:

1. Kimyasal Ayarlama:

- Bu kombinasyon, fayalit viskozitesini değiştirerek adhezyon kuvvetini azaltır

1. Proses Kontrol:

- Descale basıncı 260 bar'a yükseltme

- Hadde arası descale sistemi kurma

1. Pratik Sonuç:

- P artırma + Si azaltma + yüksek descale: %0,5 altında

---

10. TUFAL KARAKTERIZASYON TEKNİKLERİ

10.1 Kusur Analizi Metodolojisi

Gözlenen tufal kusurlarının kaynağını belirlemek için sistematik bir yaklaşım kullanılmaktadır:

#### Aşama 1: Visual Muayene

Koil yüzeyinin makro incelemesi:

• Kusur morfolojisi (çizgisel mi, nokta mı, benekli mi?)
• Dağılım (lokalize mi, yayılmış mı?)
• Renk ve gloss (parlak mı, mat mı?)
• Yoğunluk ve frekans

#### Aşama 2: Kalite Türüne Bağlı Eğilim

Belirli kaliteler, karakteristik kusur türlerine eğilimlidir:

• Si > 0,10%: Red scale riski
• P > 0,02%: Blistering riski
• Tüm kaliteler: Descale eksikliği riski

#### Aşama 3: Kusur Bölgesinden Numune Alımı

Kusurlu ve normal alanlardan:

• 15-20 mm genişliğinde şerit
• 5 mm minimum kalınlık
• Kesit üzerinde kusur göz önünde bulundurularak hazırlama

#### Aşama 4: Metalografik Hazırlık

Numune  ↓
  │
Soğuk montajlama (epoksi reçine)
  ↓
Tatlı su yıkama
  ↓
Ardışık SiC zımparalama:
  - 240 grit (ön parlatma)
  - 400, 600, 1000, 2000 grit
  ↓
Elmas pasta parlatma (3 μm)
  ↓
Silika süspansiyon (0.05 μm) nihai parlatma
  ↓
Distile su ile yıkama
  ↓
Optik mikroskop incelemesi

10.2 Optik Mikroskop (LOM) İncelemesi

Klassik metalografik kesit incelemesi, tufal yapısının genel karakterini belirlemektedir:

Gözlemlenecek Özellikler:

1. Tufal Katman Kalınlığı:

- İkincil tufal: 15-30 μm (RM)

- Üçüncül tufal: 5-15 μm (FM)

1. Faz Dağılımı:

- Orta magnetit tabakası (siyah, opak)

- İç FeO tabakası (gri)

- İç oksidasyon bölgesi (ferrit matris içinde oksit tanecikleri)

1. Gözeneklilik:

- Düşük gözeneklilik: compacted magnetit

1. Deformasyon Bölgeleri:

- Haddeleme sırasında açılmış yeni yüzeyler

Örnek Gözlemler:

• Normal haddeleme tufali: Belirgin 3 tabakadan oluşan yapı
• Red scale (Si-içerikli): İç bölgede granüler fayalit tanecikleri
• Aşırı sıcak tufal: Kalın, sert hematit dış tabakası

10.3 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve EDS Analizi

SEM, çok yüksek büyütmede (1000-10000×) tufal yapısının detaylı görünümünü sağlamaktadır.

#### SEM Görüntüleme Modu:

Backscattered Electrons (BSE):

• Atom numarasına bağlı kontrastlı görüntü (yüksek Z daha açık)
• Magnetit ve hematit ayrımının yapılmasında faydalı

Secondary Electrons (SE):

• Yüzey topografyası
• Çatlak ve pörozite morfolojisi

#### EDS (Energy Dispersive Spectroscopy):

Her nokta analizi yaparak elemental bileşimi belirlemektedir:

Örnek: Red scale kusuru SEM-EDS analizi

Point 1 (Dış tabaka):
Fe: %70, O: %30 → Fe₂O₃ hematit

Point 2 (Orta tabaka):
Fe: %65, Si: %8, O: %27 → Fe-Si-O ötektik (fayalit)

Point 3 (İç tabaka):
Fe: %64, O: %36 → Fe₃O₄ magnetit

Point 4 (Çelik matrix):
Fe: %98, C: %1, O: %1 → Ana çelik (minimal oksidasyon)

Element Peak Çakışmaları (Overlap):

Bazı elementlerin X-ray enerjileri çakışmaktadır:

10.4 X-Ray Difraksiyon (XRD)

Kristal yapısının belirlenmesi ve faz tayininde kullanılmaktadır.

Prinsip:

Kristal ağ düzlemleri arasındaki X-ray difraksiyon:

Bragg Yasası: nλ = 2d·sin(θ)

Burada:
n = Difraksiyon mertebesi
λ = X-ray dalga boyu
d = Düzlem aralığı
θ = Difraksiyon açısı

Farklı fazlar, farklı d-aralıklarına sahip olduğundan, karakteristik peak pozisyonlarında görülmektedir.

Tipik XRD Verileri:

Fe₂O₃ (Hematit): 2θ = 33°, 35°, 49°, 54°, 62° (karakteristik)
Fe₃O₄ (Magnetit): 2θ = 30°, 35°, 56°, 62° (karakteristik)
FeO (Wüstit): 2θ = 37°, 43°, 62° (karakteristik)
Fe₂SiO₄ (Fayalit): 2θ = 26°, 32°, 36° (karakteristik)

Faz Yüzdesi Hesabı:

Peak intensiteleri, faz miktarı ile ilişkilidir:

Faz % = (I_faz / Σ I_tum) × 100%

Örnek:
I_Fe2O3 = 500 counts
I_Fe3O4 = 300 counts
I_FeO = 200 counts

Fe₂O₃ % = (500/1000) × 100% = 50%
Fe₃O₄ % = (300/1000) × 100% = 30%
FeO % = (200/1000) × 100% = 20%

10.5 Elektronik Harita (EBSD - Electron Backscatter Diffraction)

EBSD, kristal oryantasyonu ve faz dağılımının haritalanması için kullanılmaktadır.

EBSD Haritası Yorumu:

Her pikselin renklendirilmesi, o noktada bulunan kristal fazına ve oryantasyonuna karşılık gelir:

Renk Kodlama:
Kırmızı   → Fe₂O₃ (Hematit)
Yeşil     → Fe₃O₄ (Magnetit)
Mavi      → FeO (Wüstit)
Gri       → Ana çelik (Fe)

Yapısal Bilgiler:

• Tane sınırları: Oryantasyon değişimi gösterir
• Faz sınırları: Belirli renk geçişi
• Deformasyon: Oryantasyon gradienti

Faz Kesir Hesabı:

Örnek Red Scale EBSD analizi:

Taranılan pixel sayısı: 10000

Fe₂O₃ pixeleri: 3000 → % 30
Fe₃O₄ pixeleri: 4500 → % 45
FeO pixeleri: 1500 → % 15
Fe pixeleri: 1000 → % 10

Bu sonuçlar, dış ve orta tabakasının Fe₃O₄ ağırlıklı 
olduğunu göstermektedir.

---

11. KUSUR AZALTMA İÇİN YAPILMASI GEREKEN KONTROLLER

11.1 Slab Furnace ve RM Öncesi Alınması Gereken Önlemler

Furnace Sıcaklığı Kontrolü:

• Target: 1150-1200°C (optimal haddeleme sıcaklığını sağlar)
• >1250°C: Lokal hot spots → hematit meydana gelişi
• <1100°C: Yetersiz ısıtma → slow rolling → zaman kaybı

Furnace Atmosferi:

• Air/gas oranının optimize edilmesi
• Oksijen kısmi basıncı kontrolü
• Hematit oluşumunun minimize edilmesi

Slab Yüzey Temizliği:

• Furnace çıkış öncesi birincil tufal temizleme
• "Sagger" tufal oluşumunun engellenmesi

11.2 Descaling Sistem Kontrolü

Basınç Yönetimi:

• Descale basıncı 210-260 bar aralığında tutmak
• Dijital manometer ile düzenli kontrol
• Filtreleme sisteminin temiz tutulması

Nozzul Bakımı:

• Haftada bir nozzul açıklığı kontrolü
• Mineral tortu temizliği
• Kummermercer test (pressure test) aylık yapılması

Etkililik Değerlendirmesi:

• Sacrifice çelik bloklara descale uygulanması
• İzlerin mükemmeliyetinin visual kontrolü
• Eksik alanların tespiti → nozzul ayarlaması

11.3 Merdane Bakım ve Kontrol

Preventif Bakım Programı:

Wear Ölçümü:

Ultrasonik kalınlık ölçücüsü (ultrasonic thickness gauge) ile:

• Merdane çapının azalmasını takip etmek
• Wear > 2 mm/100 strip: Hazırlık aşaması
• Wear > 4 mm: Değişim zamanı

Yüzey Kontrol:

• Grinding marks: Paralel çizgi deseni (OK)
• Oksidasyon: Hafif kahverengi tinti (OK)
• Pitting: Sıvı penetrant test ile belirlenebilir
• Banding: Ciddi degrade (REJECT - değişim zorunlu)

11.4 Hadde Parametreleri Optimizasyonu

Sıcaklık Penceresi:

┌─────────────────────────────────────────┐
│  Furnace çıkışı: 1150-1200°C             │
│  RM giriş: 1100°C                       │
│  RM çıkış: <1080°C                      │
│  FM giriş: <1000°C (hedef)              │
│  FM içinde: Kontrollü soğuma            │
│  FM çıkışı: Hızlı soğuma başlama        │
└─────────────────────────────────────────┘

Yağlama (Lubrication):

• Roll bite yağlaması (oil mist): Sürtünme azaltır
• Anti-peeling soğutması: Yapışkanlığı azaltır
• Skin cooling: Yüzey sıcaklığını kontrol eder

Hadde Arası Soğutma:

• RM pasaları arasında descale
• FM pasaları arasında spray cooling
• Tufal yeniden oluşumunun minimize edilmesi

---

12. SONUÇ VE ÖZETLEMESİ

12.1 Temel Bulgular

Sıcak haddeleme prosesinde tufal oluşumu ve kusur mekanizmaları, çok disiplinli ve karmaşık bir fiziksel ve metalurjik fenomenidir:

1. Termodinamik Temeli: Fe-O sistemi, sıcaklık ve oksijen kısmi basıncına bağlı olarak üç farklı oksit fazı meydana getirmektedir. Yüksek sıcaklıkta termodinamik olarak kararlı olan wüstit, soğuma sırasında magnetit ve hematite dönüşmektedir.

1. Mekanik Davranış: Oluşan tufal tabakasının mekanik özellikleri, haddeleme prosesinde kusur oluşumunun temel belirleyicisidir. Hematit sertliği (1000 HV), çelikten 3 kat fazla olduğundan, temizlenmeyen hematit parçaları çelik yüzeyine batarak kalıcı kusurlar meydana getirmektedir.

1. Kimyasal Etki: Çelikteki alaşım elementleri, tufal yapısını ve adhezyon kuvvetini önemli ölçüde etkilemektedir. Özellikle silisyum, yüksek sıcaklıkta silikat cam fazı (fayalit) oluşturarak adhezyon kuvvetini arttırmakta ve "red scale" kusurlarına neden olmaktadır.

1. Proses Kontrol: Furnace sıcaklığı, oksijen atmosferi, tutma süresi, hadde sıcaklığı ve soğuma rejimleri, tufal oluşumunu ve kusur mekanizmalarını doğrudan kontrol etmektedir.

1. Operasyonel İmplikasyonlar: Preventif merdane bakımı, etkin descaling sistemi, optimize edilmiş hadde parametreleri ve sistematik kalite kontrol, tufal kusurlarının minimize edilmesine yönelik temel stratejilerdir.

KAYNAKÇA VE STANDARTLAR

Uluslararası Standartlar:

• ASTM E112: Tane Boyutu Ölçme Standart Metotları
• API 5L: Boru Çeliği Spesifikasyonu
• ISO 6892: Metalik Malzemelerde Çekme Testi
• DIN EN 10020: Çelik Sınıflandırması ve Tanımı