Sürekli Döküm ve Sıcak Haddeleme Kaynaklı Kabuk (Sliver) Kusurlarının Metalurjik Kök Neden Analizi: Yassı Çelik Üretiminde Bütünleşik Bir Değerlendirme

1. Giriş (Introduction)

Soğuk haddelenmiş çelik rulolar, otomobil ve otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılan yüksek katma değerli ürünlerdir. Teknolojinin hızla gelişmesiyle birlikte kullanıcılar, giderek daha yüksek yüzey kalitesi talep etmektedir. Bu nedenle çelik üretimi ve haddeleme boyunca kusursuz bir yüzey elde edilmesi büyük önem taşımaktadır. Yüzey kalitesi sağlanırken aynı zamanda uygun kimyasal bileşim, hedeflenen metalografik yapı ve mekanik özelliklerin de korunması gerekmektedir.

Soğuk haddelenmiş şeridin yüzey kalitesini etkileyen kusurlar genel olarak iki gruba ayrılabilir:

Haddeleme kaynaklı yüzey kusurları: Çizik, kazıma ve korozyon gibi, operasyonda daha sıkı proses kontrolü ile giderilebilen veya hafifletilebilen hatalar. citeturn1search1

Slab kaynaklı (metalurjik kökenli) kusurlar: Slab üzerinde önceden var olan hataların haddeleme ile birlikte boyuna doğrultuda şekillenerek çizik, pullanma ve kıymık biçiminde ortaya çıkması.

Bu kusurlar birbirine oldukça benzer biçimlerde gerçekleşebildiğinden, hatanın haddeleme sırasında mı yoksa çelik üretimi sırasında mı oluştuğunun ayrıştırılması ve kök sebebin kesin olarak belirlenmesi son derece güçtür; bu konuda halen devam eden araştırmalar mevcuttur.

Slab yüzeyinin hemen altında (>25 mm derinlikte dahi) kalan oksit kalıntıları, haddeleme sırasında merdane kuvvetinin etkisiyle yüzeye çıkarak rulo üzerinde yaralanmaya (kıymık/kabuk) neden olmaktadır. Benzer şekilde slab kenar bölgelerindeki çatlaklar da yüksek sıcaklıkta tavlama sırasında oksitlenmekte, haddeleme ile çatlaklar kapanırken içeride kalan oksit kalıntıları kabuk oluşturmaktadır.

1. Kabuk Kusurunun Tanımı ve Karakteristikleri

Kabuk; malzemenin seramik inklüzyonlarla nüfuz ederek düzensiz yapraksı (laminer) katmanlaşması sonucu oluşan bir yüzey kusurudur. Katmanlaşan malzeme, ana malzemeden inklüzyonlar veya tufal (skala) yoluyla ayrılır ve düzensiz bir görünüm oluşturur. Değişik şekil ve büyüklüklerde ortaya çıkabilir.

Metalurjik açıdan kabuk, slab döküm sırasında slab yüzeyinin hemen altında oluşan metalik olmayan inklüzyonların, haddeleme ile birlikte yüzeye çıkıp kırılarak katmanlaşması sonucu meydana gelir. Dökümde kullanılan kalıplardaki hatalar ya da skarf hataları da kabuk oluşumuna sebep olabilir. Makro inklüzyon kusuru ile karıştırılabilir.

2.2 Tespit

Yüzey kontrolü sırasında gözle tespit edilebilir. Küçük kabuk kusurları genellikle soğuk haddelemeden sonra belirginleşir; çünkü artan redüksiyon oranı, yüzey altı kusurun uzayarak açığa çıkmasını hızlandırır.

2.3 Çelikhane Kökenli / Haddehane Kökenli Ayrımı

Kabuk kusuru yalnızca çelikhane kaynaklı değildir. Sıcak haddehanede:

Fırın skid'lerinin deforme olması,

Fırın cehennemlik taban seramiklerinin kalkması,

Fırın giriş rol ve skid aşınmaları,

sonucunda da kabuk kusuru oluşabilir. Haddehane kaynaklı kabuk kusuru; aynı kalınlık ve uzunluktaki slablardan çekilen bobinlerin aynı bölgelerinde tekrarlanması ile çelikhane kaynaklı kabuktan kolayca ayırt edilebilir. Bu periyodik tekrar, mekanik/refrakter kökenli bir izin parmak izidir.

2.4 Benzer Kusurlar

Kabuk; kırık gaz boşlukları, skarf işleminden gelen kesme izleri ve diğer dış yüzey kusurlarıyla görünüm açısından benzerlik gösterebilir. Bu nedenle karakterizasyonda dikkatli ayrım gerektirir.

1. Çelik Üretim Zinciri ve Kabuk Kusuruyla İlişkisi

Kök neden analizinde yalnızca nihai ürüne bakmak yeterli değildir; süreç aşağıdaki bütünleşik akış boyunca değerlendirilmelidir.

Aşama Alt Süreç Kabuğa Katkı MekanizmasıSıvı Metal Yüksek fırından sıvı ham demir Cüruf taşınması, yüksek Si/S/P

Ön Arıtma Kükürt giderme MnS, uzamış sülfür inklüzyonları

Rafinasyon Konverter (BOF) üfleme/döküm Yüksek T.O., FeO+MnO, Al₂O₃

İkincil Metalurji Alaşımlama, sıcaklık ayarı, Ca işlemi Ca/Al, Ca/S dengesizliği, AlN

Katılaşma Slab sürekli döküm Menisküs kapanımı, toz kapanması, çatlak

Isıl İşlem Slab yeniden ısıtma fırını Yüzey altı çatlağın oksitlenmesi

Şekillendirme Sıcak/soğuk haddeleme Kusurun açığa çıkması, katmanlaşma

1. Sıvı Metal ve Rafinasyon Aşamasının Katkısı

Yüksek fırından gelen sıvı ham demir; yüksek silisyum, kükürt, fosfor ve taşınan cüruf partikülleri içerebilir. Özellikle yüksek fırın cürufunun konverter sistemine taşınması, cüruf bileşimindeki

%(FeO+MnO)\%(FeO + MnO)%(FeO+MnO)

oranını yükseltir. Bu artış, sonraki adımlarda alüminyum tüketimini artırarak deoksidasyon kararlılığını bozar.

Yetersiz deoksidasyonda:

Al₂O₃ kümeleri,

Spinel (MgO·Al₂O₃) inklüzyonları,

Karmaşık oksitler

oluşur. Bu partiküllerin önemli bir kısmı döküm sırasında yüzey altına yakalanarak ilerideki kabuk kusurunun çekirdeğini oluşturur.

4.2 Kükürt Giderme

Kükürt giderme verimi düştüğünde kritik oran

CaS\frac{Ca}{S}SCa​

yeterli seviyenin altına inebilir. Bu durumda MnS oluşumu ve haddeleme yönünde uzayan sülfür inklüzyonları ortaya çıkar. Özellikle derin çekme IF ve otomotiv çeliklerinde uzamış MnS dizileri, haddeleme sırasında katmanlaşma (delaminasyon) eğilimini belirgin biçimde artırır.

4.3 Konverter (BOF)

Dokümanda kritik olarak işaretlenen parametreler; üfleme sonu oksijen (ppm), tandiş toplam O₂ (%) ve cüruf (FeO+MnO) değerleridir.

Yüksek üfleme sonu oksijen, çelikte çözünmüş oksijen aktivitesini yükselterek aşağıdaki deoksidasyon reaksiyonunu şiddetlendirir:

2[Al]+3[O]→Al2O32[Al] + 3[O] \------Al_2O_32[Al]+3[O]→Al2​O3​

Bunun sonucu:

Alümina kümelenmesi,

Daldırma borusu (SEN) tıkanması,

SEN çevresinde asimetrik akış,

olarak ortaya çıkar ve yüzey altı inklüzyon yoğunluğunu artırır.

1. İkincil Metalurji: Temizlik Seviyesinin Kontrolü

Dokümanda vurgulanan Al, Ca, Ca/Al ve Ca/S oranları, inklüzyon morfolojisini yönetmenin temel değişkenleridir.

Amaç, sert ve tıkanma yapan katı alüminayı düşük ergime sıcaklıklı, küresel ve döküme uygun kalsiyum-alüminatlara dönüştürmektir:

Yetersiz Ca: Sert Al₂O₃ kalır → tıkanma, kümelenme, kabuk çekirdeği.

Aşırı Ca: CaS ve yüksek katı fraksiyonlu inklüzyonlar → yeni tıkanma ve kapanım riski.

Bu nedenle kalsiyum işlemi dar bir "sıvı pencere" içinde tutulmalıdır.

5.2 Azot Pick-Up

Dokümanda listenin başında yer alan azot pick-up, ikincil metalurjide açık dökümlerden ve pota işlemlerinden kaynaklanır. citeturn1search1 Yüksek azot;

[Al]+[N]→AlN[Al] + [N] \---AlN[Al]+[N]→AlN

çökelmesine, tane sınırı gevrekleşmesine ve döküm sırasında çatlak duyarlılığının artmasına yol açar. Bu çatlaklar yeniden ısıtmada oksitlenerek kabuk oluşumuna katkı verir.

1. Sürekli Döküm: Kabuk Kusurunun Ana Kaynağı

Sürekli döküm, kabuk kusurlarının en kritik oluşum bölgesidir. Kalıp içindeki akış, menisküs davranışı ve toz kapanımı doğrudan yüzey altı kalitesini belirler. imageturn1search1†image_fkKbbUIn2mmKDJxKH5G9XA== (Image: Kalıp içi akış ve kapanım oluşumu)

6.1 Menisküs Bölgesi ve Kalıp Tozu Kapanımı

Kabuk kusurlarının büyük kısmı menisküs (sıvı çelik-toz ara yüzeyi) altında oluşur. Türbülansın yüksek, kalıp seviyesinin dalgalı veya SEN akışının dengesiz olduğu durumlarda sıvı döküm tozu çeliğin içine karışır. citeturn1search1 Bu durumda CaO–SiO₂–Al₂O₃ bazlı cam benzeri inklüzyonlar oluşur ve haddeleme sonrasında kabuk, kıymık ve yüzey yarılması olarak açığa çıkar.

6.2 SEN Akışı ve Tıkanma

SEN tıkanması; alümina birikimi, kalsiyum dengesizliği veya argon dağılım problemi sonucu gelişir. Bu, asimetrik jet, menisküs kararsızlığı ve toz kapanmasını tetikler.

6.3 Argon Akışı ve Baloncuk Yakalanması

Sliding gate argon flow ve tandiş stoperi ayarları dokümanda kritik olarak belirtilmiştir. citeturn1search1 Yüksek argon debisi baloncuk yüzeylerinde inklüzyon toplar; yüzeye ulaşamayan baloncuklar katılaşan kabuğun içinde kalarak blow-hole ve inklüzyon kümesi (sliver başlangıç noktası) oluşturur.

6.4 Kalıp Seviye Dalgalanması ve Kanca (Hook) Oluşumu

Dokümanda kalıp seviye sistemi ve seviye dalgalanması ayrıca vurgulanmıştır. citeturn1search1 Seviye dalgalanması menisküs donmasına ve hook (kanca) oluşumuna yol açar. Hook bölgeleri, kalıp tozu ve inklüzyonları hapsettiği için özellikle otomotiv kalitelerinde en kritik kusur başlangıç noktalarıdır.

6.5 Osilasyon ve Kalıp Geometrisi

Osilasyon eğrisi, osilasyon stroke, negatif strip time ve kalıp konikliği; ilk kabuk oluşumunu doğrudan etkiler.

6.6 Termal ve Kimyasal Etkenler

Dokümanda ayrıca döküm hızı, tandiş sıcaklığı, superheat ve tandiş çelik seviyesi belirtilmiştir. citeturn1search1 Superheat için:

Yüksek superheat menisküs ince kabuk oluşumuna ve kapanım riskine, düşük superheat ise nozul tıkanması ve tandiş katılaşmasına neden olur. Her iki uç da kabuğu besler.

1. Yeniden Isıtma Fırını ve Haddeleme Aşaması

Slab yüzeyinin altındaki çatlaklar, yüksek sıcaklıkta yeniden ısıtma sırasında oksitlenir. Bu bölgelerde tabakalı bir oksit yapısı gelişir:

Haddeleme sırasında sünek metal kapanırken kırılgan oksit kapanmaz; içeride kalan oksit kalıntıları yüzeyde kabuk olarak ortaya çıkar. citeturn1search1 Ayrıca slab şarj sıcaklığı, fırında kalma süresi, descale pratiği ve basıncı dokümanda kritik parametreler olarak listelenmiştir; yetersiz descale, tufalın haddeye taşınmasıyla kabuk benzeri kusurlar üretebilir.

Skarf işlemi ve tipi de belirleyicidir: yetersiz veya düzensiz skarf, yüzey altı kusurların tam temizlenememesine ve kabuk devamlılığına yol açar.

1. Kök Neden İçin Önerilen Karakterizasyon Metodolojisi

Bir müşteri şikayetinde aşağıdaki analiz zinciri önerilir:

8.1 Makro İnceleme

Kusurun boyuna yön ile ilişkisi,

Kenar–merkez konumu,

Uzunluk ve tekrar periyodu (haddehane kökenini ayırt etmek için).

8.2 Metalografik İnceleme

Oksit tabakası varlığı,

İnklüzyon yoğunluğu ve morfolojisi,

Çatlak kökeni ve derinliği.

8.3 SEM-EDS Analizi

İnklüzyon parmak izinin belirlenmesi için Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂ ve MnS haritalaması yapılmalıdır. Örneğin CaO–SiO₂ ağırlıklı bulgular kalıp tozu kapanımına, saf Al₂O₃ kümeleri deoksidasyon/SEN tıkanmasına işaret eder.

8.4 Proses Korelasyonu

Kusurun döküldüğü pota/ısı ve slab konumu ile aşağıdaki parametreler eşleştirilmelidir: azot pick-up, tandiş toplam O₂, FeO+MnO, Ca/Al, Ca/S, argon debisi, kalıp seviye sinyali, osilasyon verileri, SEN değişim kayıtları, döküm hızı ve superheat.

1. Sonuçlar (Conclusions)

En yüksek risk oluşturan mekanizmalar; Al₂O₃ kümelenmesi ve SEN tıkanması, kalıp tozu kapanımı, menisküs türbülansı ve seviye dalgalanması, yüzey altı inklüzyon kümeleri, slab yüzey/kenar çatlaklarının oksitlenmesi, yanlış osilasyon parametreleri, yetersiz kalsiyum modifikasyonu ve argon akış dengesizliği olarak öne çıkmaktadır.

Haddehane kökenli kabuk, bobinlerdeki periyodik tekrar ile çelikhane kökenlisinden ayırt edilebilir.

Doğru kök neden tespiti, yalnızca nihai ürün incelemesiyle değil; yüksek fırından sıcak haddelemeye kadar tüm metalurjik zinciri kapsayan bütünleşik bir yaklaşımla ve SEM-EDS + proses korelasyonu birleşimiyle mümkündür.