3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
3.1. Dumlupınar Gaz Atomizasyon Ünitesi
Gaz atomizasyonu işlemi metal tozu üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte laboratuvar ortamında gaz atomizasyonu işlemini geliştirici çalışmalar yapılmaktadır. Deneysel amaçlarla kurulmuş olan atomizasyon ünitelerine ait üretim kapasitesi düşük düzeyde olmakla birlikte elde edilen ürün ve diğer çıktılar atomizasyonun anlaşılması ve geliştirilmesine yönelik tatmin edici sonuçlar vermektedir. Bu amaçla Dumlupınar Gaz Atomizasyon Ünitesi'nde deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deneylerde kullanılan gaz atomizasyon ünitesinin genel görünümü Şekil 3.1’de ve şematik görünümü Şekil 3.2’de verilmiştir. Dumlupınar Gaz Atomizasyon Ünitesi fonksiyonel anlamda sekiz adet bölümden oluşmaktadır. Bu bölümler; atomizasyon işleminin kumanda edildiği kontrol sistemi, yüksek basınçlı atomize edici gazı sağlayan gaz sistemi, gaz akış debisinin kütlesel olarak ölçülmesini sağlayan gaz akış debisi ölçüm sistemi, toz hâline getirilecek metalin sıvı hâle getirildiği ergitme sistemi, yüksek hızlı atomize edici gaz jetini oluşturan sesüstü atomizasyon lülesi, ergitilmiş metalin lüle ucuna taşınmasına aracılık eden sıvı metal akış borusu, atomizasyon ve katılaşmanın içerisinde gerçekleştiği atomizasyon kulesi ve katılaşan toz tanelerini bünyesinde toplayan parçacık toplama bölümü olarak sıralanabilir.
1. Kontrol Sistemi, 2. Gaz Sistemi,
3. Gaz Akış Debisi Ölçüm Sistemi, 4. Ergitme Sistemi,
5. Lüle,
6. Sıvı Metal Akış Borusu, 7. Atomizasyon Kulesi, 8. Parçacık Toplama Bölümü.
Şekil 3.1. Dumlupınar Gaz Atomizasyon Ünitesi (Aydın ve Ünal, 2007).
Şekil 3.2. Dumlupınar Gaz Atomizasyon Ünitesi’nin şematik gösterimi (Güleşen, 2013).
3.1.1. Kontrol sistemi
Kontrol panosu üzerine yerleştirilen göstergeler ve anahtarlar sayesinde atomizasyon işlem değişkenlerinin gözlenmesi ve kontrolü yapılmaktadır. Kontrol panosu ve deney öncesinde
kule içerisinden alınan görüntü Şekil 3.3’te verilmiştir. Kule gözetleme penceresine yerleştirilmiş bir video kameradan alınan görüntü bir ekran üzerinden takip edilerek atomizasyon işlemi gözlemlenmektedir (Ünal ve Aydın, 2008).
Şekil 3.3. Kontrol panosu ve atomizasyon takibi (Ünal ve Aydın, 2008).
3.1.2. Gaz sistemi
Dumlupınar Gaz Atomizasyon Ünitesi’nde atomizasyon gazı olarak azot gazı kullanılmaktadır. Azot gazının elde edilmesini sağlamak üzere birbirlerine paralel şekilde bağlanmış 12 adet yüksek basınçlı çelik tüp düzeneği bulunmaktadır (Şekil 3.4.). Azot gazı düzeneği 20 MPa işletme basıncına sahiptir. Düzeneğin çıkışında bulunan regülatör ve vanalar yardımıyla gaz basıncı istenen değerlere ayarlanabilmektedir (Ünal ve Aydın, 2008).
3.1.3. Gaz akış debisinin ölçümü
Gaz atomizasyonu işleminde metal akış debisi ile gaz akış debilerinin kütlesel olarak oranlanması ile metal/gaz akış oranı hesaplanır. Hesaplanan bu değer atomizasyonun verimliliği hakkında önemli bir parametredir. Bu nedenle kütlesel gaz akış debisinin hassasiyetle tayini gereklidir. Dumlupınar Gaz Atomizasyon Ünitesi’nde gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda kütlesel debi ölçümleri SIEMENS marka Sitrans F C Massflo Mass 2100 tipi ölçüm cihaz ile gerçekleştirilmektedir (Şekil 3.5.). Bu cihaz Coriolis prensibine dayanarak kütlesel debi ölçümü yapmaktadır. Ölçüm hata payı % ± 0.1 mertebesindedir (Siemens, 2011: 14, 38).
Şekil 3.5. Kütlesel debi ölçüm cihazı (Ünal ve Aydın, 2008).
3.1.4. Ergitme sistemi
Ergitme işlemi atomizasyon ünitesi üzerinde bulunan ergitme odası içerisine yerleştirilen rezistanslı bir fırın ile gerçekleştirilmektedir. Ergitme odası kapatılarak içeriye basınç uygulanabilecek şekilde tasarlanmıştır. Fırın içerisinde silisyum karbürden imal edilmiş ergitme potası bulunmaktadır. Fırının üst kapağı sıvı metalin sıcaklığını ölçmek için kullanılan ısıl çiftin geçebileceği şekilde delinmiştir. Böylelikle sıvı metal içerisine daldırılan ısıl çift yardımıyla sıvı metal sıcaklığı hassas bir şekilde ölçülebilmektedir. Sıvı metal sıcaklığı özellikle aşırı ısıtma uygulanan atomizasyon deneylerinde önemli bir parametre hâline gelmektedir.
Metal akış kontrolü pota içerisine yerleştirilen açma-kapama çubuğu ile gerçekleştirilmektedir. Pota içindeki deliği kapatacak çapta bir seramik boru, pnömatik olarak kontrol edilen bir mekanizma yardımıyla hareket ettirilerek atomizasyon başlatılmak istenildiğinde veya diğer başka ölçüm amaçlarıyla sıvı metal akışı sağlanmaktadır (Şekil 3.6.) (Ünal ve Aydın, 2008).
Şekil 3.6. Ergitme ünitesi a) ergitme odası, b) ergitme fırını (Ünal ve Aydın, 2008).
Deneysel çalışmalarda sahip olduğu düşük ergime sıcaklığı ve düşük yüzey geriliminden dolayı kalay atomize edilmiştir. Tekrarlanan her bir atomizasyon deneyi için 1 kg kadar kalay ergitilmiştir. Ergitme işlemi 400-420 oC dereceler arasında gerçekleştirilmiştir. Kalayın ergime
sıcaklığının yaklaşık 232 oC olduğu göz önünde bulundurulduğunda yaklaşık 200 oC aşırı ısıtma
sağlandığı ifade edilebilir (Ünal, 2007a).
3.1.5. Lüle
Yüksek basınçlı azot gazı sağlayan gaz sisteminden gelen gaz basıncının düşürülerek hızının artmasını sağlayan ve özel bir geometrik yapıya sahip olan bölüm lüle olarak adlandırılır. Dumlupınar Gaz Atomizasyon Ünitesi’nde kullanılan çeşitli lüle fotoğrafları Şekil 3.7’de verilmiştir. Atomizasyon lüleleri, atomizasyon sırasında sesüstü hızlara ulaşabilmeyi sağlamak için önce daralan ardından genişleyen bir geometride imal edilirler. Lülenin atomizasyon için en önemli parametreleri; boğaz açıklığı, çıkıntı mesafesi ve lüle çıkış (apeks) açısıdır.
Şekil 3.7. Atomizasyon lülesine ait görünümler; a) örnek lüle-1, b) örnek lüle-2 (alt görünüm), c) örnek lüle-2 (üst görünüm) (Ünal ve Aydın, 2008; Güleşen, 2013).
3.1.6. Sıvı metal akış borusu
Ergitme potasında sıvı hâle getirilen metalin atomizasyon bölümüne iletimi sıvı metal akış borusu aracılığıyla sağlanmaktadır. Sıvı metal akış borusu içi boş silindir şeklinde seramik malzemeden üretilmiştir ve lüle merkezinde bulunmaktadır. Atomizasyon işleminin kararlı bir şekilde gerçekleşebilmesi için lüle içerisine yerleştirilen sıvı metal akış borusu uç noktasında meydana gelen basınç önemli bir etkendir (Ünal ve Aydın, 2008). Bununla birlikte ergitme potasındaki ergitilmiş metalin kalan miktarı da statik basınç oluşturarak akışın sürekliliği üzerinde etkili olmaktadır (Allimant vd., 2009). Deneysel çalışmalarda ergitilmiş sıvı metal akışı başladıktan sonra metal borusu ucundaki basıncın ölçülmesi mümkün olmamaktadır. Ancak, sadece gaz akışının sağlandığı durumlarda metal akış borusu ucundaki basınç deneysel olarak ölçülebilmektedir. Metal ile atomizasyon sırasında bu basıncın ölçümü mümkün olmadığından, sadece atomizasyon gazı verilerek uç basınç ölçümleri yapılır. Şekil 3.8’de kesit görünümü verilen lüle üzerinde basınç algılayıcısı, gaz giriş bölgeleri, lüle çıkıntı mesafesi ve seramik malzemeden imal edilmiş sıvı metal akış borusu görülebilmektedir (Güleşen, 2013).
Şekil 3.8. Daralan-genişleyen geometrili lülenin şematik gösterimi ve metal akış borusu uç basıncı ölçüm sistemi (Güleşen, 2013).
Burada metal akış borusunun üst tarafına yerleştirilen bir basınç algılayıcısından alınan sinyaller, sinyal alıcı tarafından değerlendirilerek mbar değerine çevrilir. Mbar cinsinden basınç değerleri gösterge ekranından okunabilmektedir. Farklı atomizasyon basınçlarında ölçülen değerler kaydedilerek uç basınç grafikleri çizdirilmektedir. Çizdirilen uç basınç grafikleri kullanılarak atomizasyonun hangi basınçlar altında kesintiye uğramadan gerçekleştirilebileceği bulunabilmektedir (Ünal ve Aydın, 2008).
3.1.7. Atomizasyon kulesi
Atomizasyonun gerçekleştiği ve oluşan parçacıkların katılaşarak toplandığı kapalı bölüm atomizasyon kulesi olarak adlandırılır. Atomizasyon kulesi en son katılaşan taneciklerin dahi kule cidarına temas etmeden önce yani havada iken katılaşmasını sağlayabilmek amacıyla yeterli genişlik ve yükseklikte üretilmiştir. Atomizasyon kulesi paslanmaz çelikten imal edilmiş olup üzerinde üç adet gözetleme penceresi bulunmaktadır. Pencerelerin amacı görüntü almak amacıyla kamera yerleştirilebilmesine ve gerekli durumlarda gözlem yapılabilmesine olanak sağlamaktır.
3.1.8. Toz toplama kabı
Toz toplama kabı (Şekil 3.9.) ünitenin düşey olarak en alt kısmına yerleştirilmiştir. Toz toplama kabının iç kısmına tozların soğumasını hızlandırması amacıyla bakır plaka yerleştirilmiştir. Kule içerisindeki gazı dışarıya tahliye ederken içerisindeki tozları tutmak amacıyla siklon konumlandırılmıştır. Her deney sonrasında toz toplama kapları ve ünitenin alt kısmı sökülerek tozlar alınmakta ve kulenin iç yüzeyleri temizlenip yeni bir deney için tekrar kapatılarak hazır hâle getirilmektedir (Ünal ve Aydın, 2008).
Şekil 3.9. Toz toplama kabı ve siklonun görünümü (Ünal ve Aydın, 2008).