ÖĞÜTME TEKNOLOJİLERİ ÖZET Öğütme, çimento endüstrisinin en fazla enerji tüketen birim işlemidir. Enerji denkliği anlamında aşırı verimsiz olan öğütme işlemlerinde atılacak küçük adımların ne denli yararlı olacağı açıktır. Bu bağlamda, konu üzerinde çok uzun bir süredir pekçok sayıda sistematik araştırma yapılmaktadır. Bu paralelde, özellikle son 20 yılda, çimento öğütmeseparasyon işlemlerinde % 40'lara varan enerji kazanımları sağlanmıştır. Bu not, Bilyalı Değirmenler dışında kalan Dik Değirmenler, Yüksek Basınçlı Merdaneli Presler, Düşey Şoklu Kırıcılar/Değirmenler, CKP Ön Öğütücüler ve Horomill'in gelişimi ve uygulamaları hakkında bir derlemedir. 1. Giriş Katı taneciklerin elastik sınırlarını aşacak düzeydeki gerilmeler sonucu yenilerek daha küçük boyutlara indirgenmesi, bir diğer deyişle yeni yüzeylerin oluşması ufalama, ufalamanın da son aşaması öğütme olarak tanımlanmaktadır. Çoğu kez fiziko-mekanik bir işlem olarak algılanan ufalama özünde fiziko-kimyasal bir işlemdir (1). Konu üzerinde 1867'de Rittinger (2) ile başlayan kuramsal çalışmalar çok yoğun olmasına karşın öğütme, halen somut temellere oturtulamamış, ampiriklikten ya da iyimser bir tanımla yarı kuramsallıktan kurtarılamamıştır. Günümüzde tüm dünyada üretilen toplam elektrik enerjisinin %5 kadarı öğütmede harcanmaktadır (3, 4). Yalnızca çimento endüstrisi göz önüne alındığında bu rakam %2'dir (4). Bilindiği gibi öğütme çok verimsiz bir işlem olup, değirmene giren toplam enerjisinin ancak %1 kadarı yeni yüzey oluşumunda harcanmakta; geriye kalan kesimi ise; ısı, ses, titreşim, sürtünme v.b. enerji türleri olarak kaybolmaktadır. Bu nedenle, öğütme etkinliğini az da olsa arttıracak bir gelişmenin ekonomik değeri açıktır. Çimento endüstrisi en büyük enerji tüketici endüstrilerden biridir (5). Üretimin en ağırlıklı işlemlerinden biri olan öğütmede kullanılan elektrik enerjisi, harcanan toplam elektrik enerjisinin % 60'ından fazla olup, çimento üretim maliyetinin %30-40’ına karşı gelmektedir. Tipik bir çimento fabrikasında harcanan elektrik enerjisinin yaklaşık dağılımı Şekil 1 'de verilmektedir (6) .
70'li yılların petrol şokundan sonra artan enerji fiyatları, artan ürün kalite standardları ve yüksek kapasiteli çimento fabrikalarına olan talep artışı, öğütme makinaları ve uygulanan
Şekil 1. Tipik Bir Çimento Fabrikasında Harcanan Elektrik Enerjisinin Yaklaşık Dağılımı proseslerin geliştirilmesi ve optimizasyonu konularında yoğun çalışmalara neden olmuştur. Özellikle son 20 yıldaki gelişmeler çimento endüstrisini yeni kuru öğütme teknolojileri geliştirme ve bunları uygulama yönünde lider endüstri konumuna getirmiştir. Konvansiyonel yöntemler olarak tanımlayabileceğimiz bilyalı ve dik değirmenlerde yapılan gelişmelere ek olarak, 1985 yılında yüksek basınçlı merdaneli presler ve yine aynı yılda, yüksek verimli separatörler endüstriyel uygulama bulmuş(7, 8); sonraki yıllarda CKP ön öğütücüleri, düşey şoklu kırıcılar/değirmenler ve son olarak da Horomill geliştirilerek enerji tüketimleri çok önemli oranlarda düşürülmüştür (9,10,11). Bu notta bilyalı değirmenler dışında kalan öğütme sistemleri hakkında bilgiler derlenmiş ve konuya ilişkin gelişmeler verilmiştir. 2. Dik Değirmenler Dik değirmenlerin orijini antik çağlara uzanmaktadır. Bu çağlarda taştan yapılmış silindirik öğütme elemanları, yine taştan yapılmış bir silindirin düz yüzeyinde döndürülmekte ve özellikle tahıl, zeytin ve hatta bazı minerallerin öğütülmesinde kullanılmaktaydl. Anadolu'da halen kullanılmakta olan benzer bir değirmen Şekil 2'de verilmiştir. Günümüz dik değirmenleri Şekil 2'de görülen öğütücünün, temel prensipler açısından, mekanik olarak geliştirilmesinden başka birşey değildir. Şekildeki ilkel değirmende malzeme öğütücü silindir altına beslenmekte; ve arzulanan inceliğe bağlı olarak, silindir,
malzeme üzerinden birkaç kez geçirilmektedir. Nemli malzemelerin öğütülmesi için öğütme tablası diyebileceğimiz alt silindirin yan yüzeyi oyulmuş ve bu oyukta ateş yakılması imkanı sağlanmıştır. Yakılan ateş ile alt silindir yüzeyi ısıtılmakta ve malzeme kurutulmaktadır. Yeteri inceliğe ulaştığı kabul edilen malzeme süpürülerek öğütme yüzeyinden dışarı alınmaktadır. Bu ürün, istenirse, elenerek elek üstü malzeme tekrar öğütülmek üzere silindir altına beslenebilir.
Şekil 2. İlkel Taş Değirmeni Bu sistemin en belirgin dezevantajı kesikli çalışmasıdır. Sistemi sürekli kılmanın yolu malzeme naklini sürekli kılmakla mümkündür. Üst silindir yerine alt silindirin döndürülmesi buna olanak sağlayacaktır. Bu durumda, dönen silindirin merkezine beslenen malzeme merkezkaç kuvveti etkisinde dışa doğru hareket edecek ve bu sırada alt ve üst silindirler arasından geçerken öğütülecektir. İşte bu basit fizik kuramı, modern dik değirmenlerin geliştirilmesinde ana parametre olmuştur. Şekil 3'de günümüz dik değirmenlerinden bir örnek görülmektedir. Öğütme ortamı bir hazne içine alınmış, valslerin üst tarafına da bir separatör yerleştirilmiştir; öğütme tablası etrafına yerleştirilen bir enjeksiyon halkası sayesinde de değirmen içine hem pnömatik taşımayı yapacak hem de malzemeyi kurutacak havanın/gazın gönderilmesi sağlanmıştır. Öğütme tablasının zaman içinde nasıl değişerek günümüzde kullanılan hale geldiği literatürde bulunabilir. Ancak belirgin değişiklikler öğütme tablasının düzleşmesi ve vals eksenlerinin yatayla yapmış oldukları açının düşmesidir.
Şekil 3. Tipik Bir Dik Değirmeni Kesiti Öğütme valslerindeki bu gelişmeler paralelinde, valslerin yaylarla bastırılması sistemleri de geliştirilmiştir. Loesche değirmenlerinin ilk modellerinde herbir vals, kavrama kolu ve değirmen gövdesi arasına yerleştirilen ayrı bir çelik yay ile bastırılmakta idi. Öğütme çanağının düzleştirilmesi, daha büyük çaplı valslerin kullanılması ve valslerin artan düşey hareketleri nedenleriyle, valsler arasındaki kuvvetlerin dengelenerek basınç yatağı üzerinde sabit bir yükleme yapması arzulanmaktaydı. Bu nedenle, vals başına bir yay kullanılması yerine, valsler kombine bir yay sistemi ile irtibatlandırılmıştır. Bu yolla, valslerin
öğütme
yatağı
üzerindeki
pozisyonlarından
bağımsız
olarak,
öğütme
kuvvetlerinin dengelenmesi mümkün olmuştur. Statik santrifüjlü sınıflandırıcıların yerine dinamik sepet sınıflandırıcıların kullanılması ile daha ince, daha homojen ve daha kontrollu öğütme yapılabilmiş ve daha büyük kapasitelere erişilmiştir. 1960'Iara gelindiğinde çimento hammaddesi öğütülmesinde ulaşılan kapasiteler 50 ton/saat'e ulaşmıştır. Bu yıllarda çimento sektöründe ön ısıtmalı döner fırınların geliştirilmesi ile fırın kapasiteleri 1500 ton/gün'e çıkmıştır. Bu paralelde öğütülmesi gereken farin miktarı kademeli olarak 80 ton/saat, 100 ton/saat ve 120 ton/ saate artmıştır. Fırın ön ısıtıcı eksoz gazları ve ısı içeriği ve hacımsal miktarları açısından dik değirmen öğütülmesinde gerekli olan sıcak gazlara çok uyumlu olduğundan, ön
ısıtıcıların uygulanması dik değirmenlerin kapasite artışında ana itici güç olmuştur. Diğer önemli bir parametre de, kuşkusuz, dik değirmen kontrolunun çok hızlı bir şekilde yapılabilmesidir. Dik değirmenlerdeki kapasite artışı, daha büyük çaplı valsler ve daha büyük çaplı öğütme tablası anlamındadır. Büyük valsler, doğal olarak, daha güçlü yay sistemleri gerektirmiştir. Belli bir çaptan sonra yay baskı sistemleri, gerekli yüklerin ve işgal ettikleri hacmın çok büyük olmasından dolayı başedilemez hale gelmiştir. 1961 yılında Loesche firması tasarım mühendisleri ilk kez hidropnömatik yay sistemini geliştirerek bu sorunu aşmışlardır (12).
Şekil 6. Hidropnömatik yay sistemi Şekil 7. Loesche Modül Sistemi Şekil 6'da hidropnömatik bir yay sistemi görülmektedir. Bu sistem kısa sürede kabul görmüş ve daha sonra kurulan diğer dik değirmen üreticisi firmalar tarafından da uygulanmıştır. 1970'li yıllarda, çimento üretim teknolojisinde bir büyük adım daha atılmış ve önkalsinatörlü fırınlar kullanılmaya başlanmış, bağlı olarak değirmen kapasiteleri 120 ton/saat mertebesinden 240 ton/saat mertebesine ulaşmıştır. Bu gelişme Loesche firmasının modüler değirmen tasarmasına neden olmuştur. Modüler sistemde, aynı değirmende 2, 3 veya 4 valsin kullanılması mümkün olmuştur (Şekil 7). Gelişme imalat avantajları yanında spesifik yatırım maliyetlerini de önemli ölçüde düşürmüştür (13).
3. Öğütme Prensibi Öğütme tablası dişli bir sistemle düşey eksen etrafında döndürülmektedir (Şekil 8). Sabit pozisyonlarda
yerleştirilmiş
öğütme
valsleri
tabla
üzerine
elastik
bir
şekilde
bastırılmaktadır. Öğütülecek malzeme, dönen öğütme tablası üzerine, merkezi olarak, ya değirmenin üst kısmına yerleştirilmiş separatör ortasından veya değirmen yan kenarından içeri giren bir besleyiciden beslenir. Tabla üzerine düşen malzeme merkezkaç kuvveti etkisi ile tabla kenarına doğru hareket eder ve tabla ile valsler arasından geçerken valslerin uyguladığı ezme kuvvetleri nedeniyle öğütülür. Öğütülen malzeme tablayı çevreleyen hava enjeksiyon halkası bölgesine ulaştığında,hava kaynağından gelen yukarı yönlü sıcak gaz akımına kapılarak separatöre taşınır. Sıcak gaz ile temas eden malzemenin nemi buharlaşır ve malzeme kurur. Gazın sıcaklığı malzemenin nemine bağlı olarak 70-150°C arasında değişebilir. Bu değirmenlerde nemliliği %22'ye varan malzemelerin öğütülebildiği bilinmektedir<14). Separatörde ayrılan iri taneler tekrar öğütme merkezine dönerken, yeteri inceliğe ulaşmış malzeme son ürün olarak değirmeni terkeder.
Şekil 8. Dik Değirmen Öğütme Prensibi 3.1. Dik Değirmen Tipleri Günümüzde kullanılan dik değirmenler, esas olarak, öğütme zonu özellikleri ve öğütme elemanlarının konfigürasyonu açılarından farklılıklar gösterirler. Öğütme tablasınını haznesinin ve valslerinl topların geometrik şekilleri, valslerin/topların sayıları ve birbirine
göre yerleşimleri, ve valslerin/topların öğütme yatağı üzerine bastırılma şekilleri farklıdır12, 15). Bu noktalardan hareketle dik değirmerıleri dört ana guruba ayırmak mümkündür. 1.
Düz Tablalı-Valsli Değirmenler
2.
Oluk Hazneli-Valsli Değirmenler
3.
Oluk Hazneli- Toplu Değirmenler
4.
Sarkaç Değirmenler
3.1.1. Düz Tablalı-Valsli Değirmenler Birbirinden bağımsız olarak hidropnömatik kol sistemleri ile düz öğütme tablası üzerine bastırılan, kesik koni şekilli 2,3 veya 4 adet öğütme valsi ile teçhiz edilmişlerdir (Şekil 3). Öğütme valslerinin baskı kolları vasıtasıyla ayarlanabilmesi, valsler ve tabla arasında sıfır açıklık olacak şekilde ayar imkanı sağlar. Bu, bağımsız öğütme valslerinin öğütme yatağı içinde oluşacak ani değişikliklere adaptasyonunu sağlar. Şekilde görüldüğü gibi, öğütme tablası bir redüktör vasıtası ile döndürülür. Tahrik edilmeyen valsler, tabla ile arasındaki malzemenin oluşturacağı sürtünme nedeniyle dönmektedir. Malzeme tabla ve vals arasında ezilmekte ve öğütülmektedir. Öğütülen malzeme tablayı çevreleyen enjeksiyon halkasından gelen hava akımına kapılarak separatöre taşınır ve ayrılan ince malzeme ürün olarak değirmeni terkeder. Separatör irisi malzeme tekrar öğütülmek üzere öğütme ortamına geri döner. Loesche, Fuller ve Ube firmaları bu değirmenlerin ana üreticileridir. Bazı durumlarda tablalar parçalı olarak imal edilseler de valsler tek parçalı olarak imal edilirler. 3.1.2. Oluk Hazneli-Valsli Değirmenler: Bu değirmenler düz tablalı valsli değirmenlere benzerler. Ana fark valslerin kesik konik değil, tekerlek şekilli olmasıdır. Ayrıca öğütme tablası düz olmayıp tek yada çift, içbükey öğütme parkuruna sahiptir. Pfeiffer-MPS ve Polysius değirmenleri sırasıyla tek ve çift parkurlu değirmenIere örnek verilebilir (Şekil 9, 10).
Şekil 9. Pfeiffer MPS Valsli Değirmeni
Şekil 10. Polysius Valsli Değirmeni
Pfeiffer-MPS değirmenleri modelleri ne olursa olsun 3 vals ile teçhiz edilmişlerdir. Her 3 valse de bağlı bir baskı çerçevesi vasıtası ile bastırılan valsler oluk hazneli tabla tarafından yönlendirilmektedir. İçbükey öğütme oluğu ıçındeki hareketleri sırasında valsler düşey ve yanal kayma hareketi yapabilirler (16). Bir diğer deyişle bu değirmenlerde sıfır aralık ayarı imkanı yoktur. FLS-Atox değirmenleri de Pfeiffer MPS değirmenlerine benzerlikler göstermektedir. Polysius dik değirmenlerinde son yıllara kadar 2 karşılıklı vals çifti kullanılmıştır. Vals çiftleri bağımsız olarak hidropnömatik sistemle öğütme yatağı üzerine bastırılır. Vals çiftlerinin yataklama sistemi valslerin düşey ve yanal kaymasına izin verir. Bu nedenle bu değirmenlerde
sıfır ayar olanağı yoktur (16). Vals çiftlerinin, çalışma sırasında
oluşturduğu yanal basınçlar değirmen gövdesi tarafından karşılanmaktadır. Daha düşük dönme çevresi nedeniyle vals çiftlerinin iç tarafındaki valsler daha düşük hızla dönmektedirler. Büyük değirmenlerde imalat, taşıma, montaj v.b. kolaylıkları sağlamak için tabla ve valsler parçalı olarak imal edilirler. 3.1.3. Oluk Hazneli- Toplu Değirmenler Bu değirmenler iç bükey, halka şekilli iki adet öğütme çemberi arasına sıkıştırılmış 250-1000 mm çaplı içi boş öğütme toplarından oluşmaktadır. Alt öğütme çemberi bir redüktör vasıtası ile düşük, sabit bir hızda döndürülür. Üst çember dönmemekle birlikte,
mekanik veya hidrolik olarak aşağı-yukarı hareket ettirilebilir. Bu yolla toplar ve öğütme parkuru üzerinde basınç uygulanır. Öğütme ve sınıflandırma işlemleri diğer değirmenlerde olduğu gibidir. İşletme sırasında topların alt kısımları öğütme yatağındaki malzeme tarafından yastıklanmaktadır. Üst kısımlar ise baskı yayları nedeniyle sürekli olarak metal-metal teması yapmaktadır. Toplar öğütme halkası içinde aynı yönde serbestçe döndüklerinden arasıra birbirlerine çarpmaktadırlar. Bu durum, özellikle büyük çaplı toplar söz konusu olduğunda, titreşimiere neden olmaktadır. Daha önce sözü edilen dik değirmen tiplerinde, öğütme elemanları olan valsler her dönüşlerinde öğütme tablası üzerinde çevre uzunlukları kadar yol katetmektedirler. Oysa serbestçe yuvarlanan öğütme topları durumunda, aynı öğütme yolu için, öğütme oluğunun katedeceği yol daha uzun olmak zorundadır. Diğer bir deyişle, aynı öğütme yolunun katedilmesi için toplu değirmenlerin daha hızlı dönmeleri gerekmektedir. Ancak çoğu durumda, toplar üzerindeki dinamik kuwetlerin artışı nedeniyle bu olası değildir.
Şekil 11 Claudius Peters Değirmeni
Şekil 12 Sarkaç Değirmeni
Öğütme hızını artırmadan kapasiteyi arttırmanın tek yolu değirmen çapını ve top sayısını artırmaktır. Büyük değirmenlerde, öğütülen malzemenin separatöre taşınması güç
olduğundan bunun da sınırlanması vardır. Bu nedenlerdendir ki, toplu değirmenler çoğunlukla yoğunluğu düşük olan kömür öğütülmesinde ve kısmen de jips öğütülmesinde uygulama bulmuştur.
Son yıllarda petrokok öğütülmesind de kullanılmaktadırlar. Bu
değirmenlerin tipik örnekleri arasında Claudius Peters değirmeni (Şekil 11) ve Babcock-E değirmeni gösterilebilir. 3.1.4. Sarkaç Değirmenler Düşey değirmenlerin bu tipleri daha çok endüstriyel hammaddelerin ince öğütülmesinde kullanılmaktadır. Malzeme, dönen asılı valslerin merkezkaç kuvveti etkisinde sabit bir öğütme halkası yüzeyine uyguladığı baskı nedeniyle öğütülmektedir (Şekil 12). Değirmenler 2-6 vals içerebilirler. Bu valsler merkez mile bağlanmış askı kolu üzerine pimlenmiştir. Merkez mil alttan bir dişli sistem vasıtasıyla döndürülmektedir. Malzeme yıldız besleyici ile beslenir ve ana mile bağlı bir sapan tarafından öğütme ortamına aktarılır. Öğütülen malzeme yükselen hava akımı ile separatöre taşınarak sınıflandırılır, iri malzeme öğütme ortamına geri dönerken ince malzeme sistemi terkeder. Besleme malzemesi boyu 20 mm civarındadır ve -35 mikrona kadar öğütme yapılabilir.
Şekil 13. Tablalı-Valsli ve Sarkaç Değirmenlerin Karşılaştırması Şekil
13'te
kireçtaşı
öğütülmesinde
tablalı-valslive
sarkaçlı
değirmenlerin
bir
karşılaştırması verilmiştir17). Görüldüğü gibi orta incelikteki öğütme işlemleri için tablalıvasli değirmenler daha uygundur. Ürün inceliği arttıkça, örneğin ürünün yaklaşık %95'inin 53 mikrondan daha küçük olduğu noktadan sonra, avantaj sarkaçlı değirmenler lehinedir ve incelik arttıkça artmaktadır. Bu nedenle sarkaçlı değirmenler kimya, boya v.b.
endüstrilerde daha çok uygulama bulmuşlardır. 3.2. Dik Değirmenlerde Son Gelişmeler Dik değirmenlerin tasarımında öncelikle göz önüne alınan hususlar basitlik, güvenirlilik, bakım kolaylığı, aşınma elemanlarının aşınmaya direnci ve en önemlisi öğütme enerjisinin düşük olmasıdır. Artan enerji fiyatları nedeniyle son yıllarda özellikle enerji tasarrufu yönünde çalışmalar yoğunlaşmıştır. Dik değirmenlerde enerji, esas olarak, basınç düşmesini yenerek öğütülen malzemenin separatöre taşınmasında ve malzemenin öğütülmesinde tüketilmektedir. Konvansiyonel uygulamalarda bu iki tüketimin yaklaşık eşit miktarlarda olduğu söylenebilir (17). Enerji tasarrufu açısından bakıldığında bu iki tüketim kaynağının ayrı ayrı analizi yapılarak bir yandan basınç kaybı ve hava miktarlarının azatılması, diğer yandan öğütme veriminin arttırılması gerekmektedir. Basınç kaybı kaynakları, enjeksiyon halkası başta olmak üzere, sıcak gaz girişi, değirmen ve separatördür. Kayıpları azaltmak için öncelikle yüksek verimli separatörler geliştirilmiştir (18, 19). Enerji tasarrufu yönünde atılan diğer bir önemli adım, kuşkusuz, öğütülen malzemenin büyük bir kısmının, alttan değirmen dışına alınarak, bir elevatör ile dışarıdan separatöre gönderilmesidir. Değirmen dışı sirkülasyonu kontrol etmek için ayarlanabilir enjeksiyon halkaları da geliştirilmiştir. Enjeksiyon halkasındaki yüksek hızlı hava, halkanın hemen üstünde yüksek bir türbülans yaratmaktadır. Bu türbülans, öğütülen malzemenin önemli bir kısmını separatöre gitmeden öğütme ortamına geri fırlatır. Halkadaki hava hızı azaltıldığında, öğütülen malzemenin bir kısmı merkezkaç kuvveti etkisinde öğütme tablasını terkettiğinde, tabla kenarından halka üzerine ve buradan da dışarıdaki kovalı elevatöre ulaşacaktır. Elevatör ile separatöre taşınan bu malzeme sınıflandırılacak ve ince malzeme son ürün olarak değirmeni terkedecektir. Bu ince kısmın uzaklaşması ile malzemenin valsler tarafından kavranması kolaylaşacak, aynı zamanda tabla üzerindeki malzeme yatağı kalınlığı azalacağından öğütme etkinliği artacaktır. Öğütme tablası ve valslerin doğru geometrik şekilleri, yüksek verimli separatörler, iyi tasarılmış enjeksiyon halkaları v.b. makina özellikleri yanında öğütülecek malzemenin öğütülebilirliği, aşındırıcılığı, nemliliği, tane büyüklüğü dağılımı ve akma özellikleri gibi parametrelerin de iyi bilinmesi gereklidir. Malzemenin bu özelliklerinin bilinmesi ile
öğütme tablası üzerinde oluşacak malzeme yatağı kalınlığının, ayarlanabilir enjeksiyon halkası vasıtasıyla, optimize edilmesi ve öğütme etkinliğinin arttırılması mümkündür. Bilindiği gibi, kararlı ve çok kalın olmayan malzeme yatakları öğütme için en uygun koşulları sağlamaktadır (17) . Alman Polysius firması İsveç'teki bir değirmende modifikasyon çalışmaları yapmış; değirmen bir dinamik separatör, ayarlanabilir enjeksiyon halkası ve malzeme dış sirkülasyon elevatörü ile teçhiz edilmiştir (20). Modifikasyon sonucu sirkülasyon faktörü 17,8'den 6,8'e inmiş, aynı zamanda öğütme tablası üzerindeki malzeme kalınlığı 150 mm 'den 80 mm'ye düşürülmüştür. Ayarlanabilir enjeksiyon halkasındaki gaz hızının 90 m/sn'den 45 m/sn'ye düşürülmesi ile sağlanan bu pozitif değerler, değirmen kapasitesini 360 ton/saat'ten 422 ton/saate çıkarmış ve özgül enerji tüketimini de 15,2 kWh/ton'dan 12 kWh/ ton'a indirmiştir (Çizelge 1) (Şekil 14). Çizelge 1 İsveç'teki Dik Değirmen Modifikasyonu
Şekil 14 Dış Sirkülasyonlu Dik Değirmen
3.3. Dik Değirmenlerde Klinker Öğütülmesi Dik değirmenlerin kömür ve pek çok endüstriyel hammaddenin öğütülmesinde özellikle enerji tüketimi açısından sağladığı yararlar, üretici firmaları, enerji fiyatlarının hızla arttığı 70'1i yıllarda bu değirmenlerin çimento öğütülmesinde kullanılması yönünde sistematik çalışmalara yöneltmiştir. Teknik olarak, dik değirmenlerde çimento öğütmek mümkündür. Ancak, aşağıdaki sorunların çözümlenmesi gereklidir. 1. İnce öğütmede oluşan titreşimler 2. Öğütme tablası, valsler ve değirmen iç yüzeylerinin çabuk aşınması 3. Separatör gövdesi ve elemanlarının aşınması 4. Son ürünün kalitesi Dik değirmenlerin çimento klinkeri öğütülmesinde ilk kullanımı 1920'li yıllardadır. Maxecon tipi değirmenler o günlerin spesifikasyonlarında çimento öğütrnek üzere İsveç, Almanya ve İtalya gibi Avrupa ülkelerinde kullanılmışlardır. Sonraki yıllarda çimento spesifikasyonlarının, özellikle incelik parametresinin ön plana çıkması, ve daha ince çimentoların
üretilmesi
mecburiyeti
dik
değirmenlerin
çimento
öğütülmesinde
terkedilmesine neden olmuştur. Yeni spesifikasyonlar çerçevesinde çimento öğütrnek üzere Alman Loesche firması Brezilya'da 1935 yılında bir dik değirmen tesis etmiştir (22). Ancak bu uygulamaya ait sonuçlar takip edilmediği için konu uzun bir süre unutulmuştur. Standard dik değirmenlerde öğütülen çimentonun dar tane sınırları arasında bir boyut dağılımı verdiği bilinmektedir. Diğer bir deyişle RRB dağılım eğrisinin eğimi daha diktir. Bunun sonucu olarak bu değirmenlerde öğütülen çimentonun su gereksinimi, işlenebilirlik, ilk dayanım ve prizlenme süresi gibi kalite parametrelerinin olumsuz yönde etkilendiği ileri sürülmektedir (23.24). Bu dar tane aralığında dağılım, kömür, çimento hammaddesi v.b. maddelerin öğütülmesinde ters bir etki yapmamaktadır. Aksine, örneğin, dar tane aralığında öğütülmüş farinin daha iyi pişme özellikleri gösterdiği ileri sürülmektedir (25).
Gebb. Pfeiffer firması 1980 yılında, Almanya Hanover'deki Teutonia Çimento Fabrikası'nda ilk kez 1900 KW'lık modern bir dik değirmeni portıand çimentosu ve curuflu çimento öğütmek üzere tesis etmiştir. Bu değirmende sınıflandırıcı üzerinde yapılan modifikasyonlar, öğütülen çimentonun bilyalı değirmen çimentosuna benzer özelliklerde olmasını sağlamıştır (26). Sonraki yıllarda diğer dik değirmen imalatçısı firmalar da çimento öğütmek üzere değirmen ve separatör tasarımlarında modifikasyonlar yapmışlar ve (27. 28. 29) kısmen başarılı olmuşlardır. Değirmen tasarımlarında yapılan değişikliklere verilebilecek bir örnek Loesche firmasının geliştirdiği, öğütücü valslerin yanında avare valslerin de kullanıldığı değirmendir (Şekil 15).
Şekil 15a-b. Loesche Klinker Öğütme Değirmeni Öğütme işleminin verimliliğini artırmak için öncelikle optimize edilmesi gereken parametreler öğütülecek malzeme, malzeme yatağı üzerine uygulanacak basıncın yoğunluğu, basınç geometrisi ve belki de en önemlisi öğütülecek malzemenin akışkanlığıdır. Hava ile karışmış taneciklerin ince boyutlarda su gibi akışkan olduğu bilinmektedir. Bu taneciklerden oluşacak malzeme yatağının öğütülebilmesi için, öncelikle tanelerin, öğütme kuvvetlerinin uygulanabileceği öğütme zonuna taşınması ve bu zondan geri kaçışın mümkün olduğunca önlenmesi gerekir. Sözü edilen Loeshe değirmeninde avare valslerin görevi, malzeme yatağını, arkadan gelen öğütücü valsler tarafından daha iyi kavranacak şekilde hazırlamaktır. Avare valsler teorik olarak yalnızca dönme hareketi yapmak üzere tasarlanmışlardır. Avare valslerin ve tablanın çevresel hızları aynı olduğundan, bu valslerin malzeme yatağının hazırlanması sırasında malzeme üzerine herhangi bir makaslama kuvveti uygulayarak öğütmeye yardımcı olması söz konusu değildir (22).
Dik değirmenlerin çimento öğütülmesinde kullanılması sırasında, değirmenin integral bir parçası olan separatörün seçimi de önem kazanır. Çimento öğütmede ana hedef son ürünün geniş bir tane iriliği dağılımı göstermesidir. Bu nedenle kullanılan separatörlerin ayarları tane dağılımı eğrisini çok dik kılmayacak şekilde yapılmalıdır (bu konu son yıllarda çokca tartışılmaktadır). 75 yıldır yapılan gelişmeler, günümüzde, çimento öğütmede dik değirmen kullanımını 250 ton/saat kapasiteye ulaşan öğütme devrelerinde olağan uygulama haline getirmesine karşın, halen bilyalı değirmen hegemonyası sürmektedir. Bu durum Japonya gibi bazı ülkelerin başlangıçtaki konservatif tutumları ile de ilgilidir. Bu ülkede 1991 yılında yapılan bir araştırmaya göre, araştırma konusu 221 çimento öğütme devresinden yalnızca 1 tanesinde son öğütme dik değirmende yapılmaktaydı (30). Ancak, genelinde "yüksek basınçlar altına öğütme" olarak tanımlayabileceğimiz konudaki hızlı gelişmeler, dik değirmenler yanında, yüksek basınçlı merdaneli presler, CKP ön öğütücü sistemleri ve Horomill gibi öğütme makinalarının geliştirilmesini sağlamış ve bilyalı değirmenlerin hegemonyasını her tür kuru öğütme uygulamasında tehdit eder hale gelmiştir.
(1996’dan sonra Polysius firması “Quadropol” adını verdiği bir
konsepti geliştirmiş olup bu konsepti açıklayan bazı resimler yukarıda verilmiştir. Ayrıntılı bilgi ICR march 2005, p.67). 3.4. Dik Değirmenlerin Genel Avantaj ve Dezavantajları Dik değirmenlerin bilyalı değirmenlere göre avantajları ve dezavantajları kısaca aşağıdaki şekilde sıralanabilir,
•
Dik yapıları nedeniyle daha az yer alanı kaplarlar.
•
Kompakt yapıları nedeniyle daha az hacim kaplarlar.
•
Gürültüsüz çalışırlar.
•
Besleme malzemesi daha iridir. Vals çapının %5-8'i büyüklüğünde taneler değirmene beslenebildiğinden, çoğunlukla ikinci kırma gerektirmez ve enerji tasarrufu sağlamış olur.
•
Spesifik aşınma, bilyalı değirmenlere göre yaklaşık %25 daha azdır. Ayrıca aşınma elemanlarının çok kısa sürede değiştirilmesi imkanı işletme masraflarını azaltır.
•
Öğütülen malzemenin özelliklerine bağlı olarak öğütme kuvvetleri hidrolik veya hidropnömatik yay sistemi ile kolayca değiştirilebilir.
•
Öğütme, homojenizasyon, kurutma, sınıflandırma ve taşıma işlemleri aynı makinada yapılır.
•
Malzemenin değirmen içinde kalma zamanı çok kısa olduğundan, ürün kontrolü süratle ve iyi bir şekilde yapılabilir. Bu nedenle tam otomatik işletmeye uygundur.
•
Yüksek kullanabilirlik (high availability) nedeniyle 1xfırın, 1xdeğirmen kombinasyonu mümkündür.
•
Spesifik enerji gereksinimi düşüktür. Bilyalı değirmenlere göre %30'a varan enerji tasarrufları söz konusudur
•
Tek bir makinada yüksek kapasitelere erişilebilir. Farin öğütmede günümüzde
ulaşılan
kapasite
850
ton/saat
civarındadır
ve
bu
kapasitelerin daha da artması mümkündür(31, ICR March 2005). Dezavantajları ise şunlardır:
•
Yalnızca kuru öğütmede kullanılabilir. Yaş öğütme denemeleri olmasına karşın benimsenmemiştir.
•
Bakım gereksinimleri daha fazladır.
•
Döküntü malzemelere (sisteme kaçan metal, ağaç vb. parçalar) karşı daha duyarlıdır.
• •
İlk yatırım maliyetleri daha yüksektir. Ürünün tane büyüklüğü dağılımı dar sınırlar içindedir. Bu durum çimento
öğütülmesinde olumsuz etkiler yaratabilir. ??? 3.5. Yüksek Basmçlı Merdaneli Presler Taneli malzeme yığınlarının basınç altındaki yüzeyler arasında öğütülmesinin diğer bir şekli de yüksek basınçlı merdaneli pres (YBMP) uygulamasıdır. Yatay eksenler etrafında dönen basınç yüklü merdaneler arasında malzeme öğütme fikri 1930'larda Carey (32) tarafından ortaya atılmış ve bu fikir Rumph, Schönert ve Ohe (33), Feige (34) ve son olarak da Schönert (35) tarafından geliştirilerek erıdüstriyel uygulamaya koyulmuştur. Schönert liderliğindeki bir araştırma grubunun yaptığı çalışmalarda görülmüştür ki; tek tek taneciklerin veya malzeme yığınlarının 50 MPa üzerindeki salt ezme kuvvetleri altında öğütülmelerinde harcanan özgül enerji, aynı malzemelerin bilyalı değirmenlerde aynı inceliklere öğütülmelerinde harcanan enerjiye göre çok daha düşüktür (36). Tanecik
yiğınlarının
endüstriyel
boyutta
bu
denli
yüksek
basınçlar
altında
öğütülmesinde kullanılmak üzere Schönert'in önerdiği presin gelişmiş bir versiyonu Şekil 16'da verilmiştir. YBMP olarak bilinen bu değirmenlerde besleme malzemesi merdaneler arasından geçerken 50 MPa'ı aşan yüksek basınç altında aglomere olarak kekleşmekte ve merdaneleri ince, yassı briketler halinde terketmektedir. Bu briketler daha sonra ayrı bir ünite olarak devrede bulunan veya havalı seperatör içinde yerleşik bir deaglomeratörde deaglomere edilirler. Deaglomere edilen bu ürün incelendiğinde, taneciklerin geniş bir tane büyüklüğü dağılımı aralığında olduğu görülmektedir. Ürünün yaklaşık %20'si - 32 mikron, yaklaşık %40'ı -90 mikron inceliktedir. Kek içinde, ince taneler arasında bazı iri tanelerin ise hiç öğütülmediği gözlenmiştir. Elde edilen ürün içindeki taneciklerin çok önemli bir bölümünde basınç uygulaması nedeniyle mikroçatlaklar oluşmaktadır. Bu mikro çatlaklar takip eden öğütme işleminde spesifik enerji tüketimini azaltıcı rol oynamaktadır.
Şekil 16. Modern Yüksek Basınçlı Merdaneli Pres YBMP'Ierin kullanılmasında dikkat edilecek önemli noktalar vardır. Bunlar kısaca aşağıda verilmiştir: •
Merdaneler üzerinde sürekli olarak malzeme yığını bulunmalıdır.
•
Bu malzeme yığını içindeki sıkışmış hava, malzemenin merdaneler arasında
ilerlemesine ve basıncın etkili bir şekilde tanelere ulaşmasına engel olacağından uygun havalandırma klapeleri ile boşaltılmalıdır.
•
Besleme malzemesi içindeki max. tane iriliği, merdaneler arası açıklığın 3
katından fazla olmamalıdır.
•
Besleme malzemesinin çok fazla iri tanelerden ya da çok miktarda ince
tanelerden oluşmaması gerekir. Her iki durumda da özgül enerji tüketimi artacak ve merdanelerin titreştiği gözlenecektir. •
Merdanelerde farklı malzemeler bir arada öğütülecekse bu malzemeler iyice
karıştırılmalıdır. Çünkü merdaneler arasındaki kalma süresi saniyenin onda birleri mertebesinde olup, sistemin, besleme malzemesine olan duyarlılığı çok fazladır.
Şekil 17. Yüksek Basınçlı Merdaneli Pres Uygulama Konfigürasyonları (a) Ön Öğütme, (b) Hybrid Öğütme, (c) Yarı-Son Öğütme, (d) Son Öğütme. YBMP'ler
mevcut
ve
yeni
öğütme
devrelerinde
değişik
konfigürasyonlarda
kullanılmaktadır. Yapılan çalışmalar göstermiştir ki, YBMP'lerde öğütülen malzeme ne denli ince ürün içerirse, öğütme enerjisi tüketimi o denli azdır. Bu nedenle tüm öğütmenin,
mümkün
olduğunca,
YBMP'lerde
yapılması
amaçlanmaktadır.
Uygulamada kullanılan konfigürasyonlar Şekil 17'de verilmiştir İlk uygulama şekli olan ön-öğütme konfigürasyonunda malzeme merdanelerden geçirildikten sonra bir kısmı son ürün elde etmek üzere bilyalı değirmene gönderilmektedir. Kekin diğer kısmı ise tekrar merdanelere döndürülerek, özgül enerji tüketimi azaltılmakta, kapasite arttırılmakta ve daha da önemlisi besleme malzemesinin reolojik özellikleri optimize edilerek merdaneler tarafından daha kolay kavranması sağlanmaktadır. Bu konfigürasyonda % 10-15 enerji tasarrufu ve %30-40 kapasite artışı sağlanmaktadır. Mevcut bir tüp değirmenin öğütme kapasitesi daha fazla arttırılmak isteniyorsa, bu kez Hybrid konfigürasyonu kullanılmaktadır. Burada separatör alt akımının bir kısmı yeni besleme malzemesi ile birlikte beslenmekte, diğer kısmı ise bilyalı değirmene gönderilmektedir.
Bu sistemde son öğütmeye önemli bir katkı sağladığından özgül
enerji tüketimi ve kapasite artışı sırasıyla % 10-20 ve %60-80 oranlarında iyileşmektedir. Yarı-son öğütme konfigürasyonunda malzeme %60-%80 oranında ürün inceliğine kadar
YBMP'de öğütülmektedir. Merdaneden çıkan kek bir separatörde ayrılmakta ve separatör altı iri malzemenin bir kısmı bilyalı değirmene, diğer kısmı ise tekrar öğütülmek üzere merdaneye gönderilmektedir. Bilyalı değirmen çıkışı malzeme kek ile birlikte separatöre gönderilmektedir. Bu sistemde enerji tasarrufu %15-30, kapasite artışı ise %80-200'e çıkmaktadır. Son-öğütme konfigürasyonunda ulaşılan enerji tasarrufu en fazladır, ve %50'ye kadar çıkmaktadır. Bu konfigürasyonda öğütmenin tamamı YBMP'de yapılmaktadır. YBMP'ler başlagıçta çimento ve yüksek fırın cüruflarının ön öğütülmesinde bilyalı değirmenlerin önünde kullanılmıştır. Günümüzde esas kullanım alanı yine klinker, çimento hammaddesi, yüksek fırın cürufu ve kireç öğütülmesi olan bu ekipmanlar diğer alanlarda sınırlı da olsa kullanım şansı bulmuşlardır. Son öğütme konfigürasyonu yüksek enerji tasarrufu nedeniyle giderek önem kazanmakta ve özellikle yüksek fırın curufu ve farin öğütülmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu konfigürasyonda çimento öğütülmesi ise henüz tümüyle kabul görmüş bir yöntem olmayıp, elde edilen çimentonun bilyalı değirmenlerde öğütülen çimentoya göre bazı farklılıkları gözlenmektedir. Bu farklılıklar şunlardır;
•
Aynı Blaine inceliğine öğütülen çimentolar karşılaştırıldığında, YBMP'de öğütülen çimentonun standard basma dayanımı daha yüksektir.
•
YBMP'lerde öğütülen çimentonun su gereksinimi, kullanılan klinkerin
reaktivitesine bağlı olarak, %25'e varan miktarlarda daha fazladır.
•
Çimentonun prizlenme süresi çok düşük değerlere (birkaç dakikaya)
kadar düşmektedir. •
.Bazı durumlarda çimentonun işlenebilirlik özelliği olumsuz şekilde
etkilenmektedir. Bu farklılıkların sebepleri ise; •
Çimentonun dar tane sınırları arasında dağılım göstermesi,
•
Klinker tanecikleri içindeki çatlaklar, ve
•
Çimentonun öğütülmesi sırasında, taneciklerin merdaneler arasındaki kalış süreleri çok kısa olduğundan ve besleme malzemesinin düşük sıcaklığından dolayı, sülfat ajanı tip ve miktarının klinker reaktivitesi ile uyum sağlayamamasıdır.
Yukarıda da söylendiği gibi YBMP’ lerin çimento endüstrisi dışındaki kullanımı yavaş ve sınırlı olmuştur (37). Bunun önemli nedenleri şunlardır;
•
Diğer alanlarda besleme malzemesi ve ürün spesifikasyonları daha değişkendir.
•
Özellikle cevher hazırlama alanlarındaki öğütme işlemlerinde özgül enerji tüketimi çimentoya göre daha düşük seviyelerdedir, ve öğütmede ana sorun enerjiden ziyade aşınmadır.
•
Cevherler genellikle yaş olarak öğütülmektedir. YBMP'lerin yaş öğütme uygulaması henüz yoktur.
•
YBMP'lerin sert malzemelerin öğütülmesinde aşınma sorunları fazladır.
Tüm bunlara karşın YBMP'ler 1987'den bu yana Güney Afrika'da kimberlitlerin kırılmasında, elmasın serbestleşmesi amacıyla kullanılmakta ve başarılı sonuçlar alınmaktadır. Elmaslar kırılmadan serbestleşmektedir. Dünyanın en büyük elmas madeni olan Avustralya'daki Argyle Diamonds madeninde de bu ekipmanlar aynı amaçla kullanılmaktadır. Kuzey Avrupa ülkeleri ve Brezilya'da demir ve krom konsantrelerinin peletleme öncesi tekrar öğütülmesi YBMP'lerde yapllmaktadır (37). Laboratuvar boyutlu çalışmalarda altın cevherinin bu ekipmanlarda öğütülmesi, siyanür özütlemesi liçi süresini azaltmış ve özütleme verimini arttırmıştır. Kuzey Amerika'da
YBMP'lerin
altın
cevheri
öğütülmesinde
endüstriyel
uygulaması
olduğundan söz edilmektedir (38). Bakır, boksit, kömür, manyezit ve kasiterit öğütülmesinde de kullanıldığı bilinen bu ekipmanların madencilik sektöründe daha yaygın bir kullanım bulacağı kesindir (39).
2000-2002 arasında değişik değirmen tiplerine ait siparişler
a) Farin öğütme
b) Çimento öğütme
c) Kömür öğütme
d) Curuf öğütme
Farklı öğütücülerin spesifik enerji tüketimleri
(Son yıllarda dik değirmenlerin her alanda giderek artan oranlarda kullanıldığına dair bazı veriler yukarıda görülmektedir. ZKG March 2003, pp. 31-42). Düşey Milli Şoklu Kırıcılar Şoklu ufalama mekanizmasının etkin olduğu kırıcılar çimento endüstrisinde çoğunlukla aşındırıcı olmayan hammaddelerin kırılması için kullanılmaktadır. Sert ve aşındırıcı malzemelerin kırılması ve öğütülmesinde tercih, şoklu mekanizmaların aşınma sorunlarının fazla olduğu düşüncesinden hareketle, ezme mekanizması ile çalışan makinalar yönünde olmaktadır. Son yıllarda şok mekanizmasının uygulandığı, aşınma sorunlarının üstesinden gelinmiş ufalama makinaları geliştirilmiştir. Özellikle endüstriyel hammaddeler, agrega ve cevher zenginleştirme endüstrilerinde 30 yıldır yaygın olarak uygulanan ve 1991’den bu yana çimento endüstrisinde ön öğütme amaçlı olarak kullanılmaya başlanan Düşey Milli Şoklu Kırıcılar (DMŞK) bu bölümün konusu olacaktır. Bu kırıcılara tipik örnek olarak Svedala Industries tarafından imal edilen Barmac-Rotopactor tipi bir kırıcı Şekil 18’de şematik olarak verilmiştir.
Şekil 18. Düşey Milli Şoklu Kırıcı Ufalama Prensibi Aşınmaya maruz kısımların bir kayaç astar ile kaplanarak korunduğu bu kırıcıların çalışma prensibi şeklin incelenmesinden anlaşılacaktır. Üstten kayaç astarlı rotor içine
beslenen
malzeme,
burada
50-85
m/saniye
hızlara
ulaşacak
şekilde
hızlandırılarak kırma haznesine fırlatılmaktadır. Bu yüksek hızlı tanelerin kırma haznesindeki tanelere çarpması sonucu esas ufalama gerçekleşir. Taneler enerjilerini kaybettikçe hazne içindeki girdaba kapılarak dönerler ve birbirlerine sürtünerek ufalanmaya devam ederler. Duapactor olarak bilinen daha gelişmiş modellerde ise kaskad (cascade) bir besleme sistemi vasıtasıyla kırılma haznesine kontrollu, ikinci bir besleme malzemesi akışı sağlanmış ve kırılacak taneler arası enerji alışverişi, dolayısıyla kırma etkinliği artırılmıştır (Şekil 19).
Şekil 19. Barmac-Duapactor Tipi Kırıcı
DMŞK'larda ufalanmış ürünün özellikleri bir yandan sertlik, öğütülebilirlik, nemlilik, tane iriliği v.b. malzeme özelliklerine, diğer yandan rotor çapı, rotor hızı, kırma haznesi profili v.b. makine özelliklerine bağlıdır. Tane kırılması çoğunlukla mineral faz sınırları, mikroçatlaklar gibi zayıf düzlemler boyuncadır. Kırılmış ürün geniş bir tane dağılımına sahip, kübik şekilli, iç gerilimleri en aza inmiş ve serbestleşme derecesi yüksek tanelerden oluşur. Bu özelliklerinden dolayı DMŞK'lar daha ziyade agrega ve cevher zenginleştirme endüstrilerinde uygulama bulmuşur. Bu endüstrilerde kullanılan yalnızca Barmac kırıcıların sayısı 1600'den fazladır (40).Bu kırıcıların çimento endüstrisinde kullanımı hammadde ön öğütmesi ile başlamıştır. Bu uygulamalarda % 100'e varan kapasite artışları olduğu ileri sürülmektedir (41). Klinker ön öğütülmesi koşullarında
kapasite artışları % 30'lara, özgül enerji kazanımları ise % 20'lere varmaktadır (10, 41). Klinker ön öğütülmesine yönelik ilginç bir örnek, Hindistan'da bir çimento fabrikasında yüksek basınçlı merdaneli presin devre dışı bırakılarak yerine DMŞK tesis edilmesidir. Bu uygulama sonucu kapasitenin % 15 artacağı ve bilyalı değirmen dahil spesifik enerji tüketiminin % 30 azalacağı ileri sürülmektedir (41). Svedala Industries dışında Magotteaux Canica, Cementas Eng. GmbH and Co. KG., Maschienenfabrik Liezen gibi firmalar da, temel çalışma prensipleri aynı, ayrıntılarda farklılıkları olan DMŞK'lar imal etmektedirler. Çimento endüstrisinde bu firmalara ait referanslara da rastlanmaktadır (10, 42). CKP Ön Öğütücü Değirmenler Mevcut konvansiyonel öğütme sistemlerinin kapasitelerini artırmak ve spesifik enerji tüketimlerini azaltmak için Japon firmaları Chichibu Cement Co. Ltd. ve Kawasaki Industries Ltd. 1985'de başlattıkları ortak çalışma sonucu CKP adını verdikleri bir ön öğütücü değirmen geliştirmişlerdir (43). Şekil 20'nin incelenmesinden görüleceği gibi bu değirmen, ana hatlarıyla, iç separatörü olmayan bir dik değirmendir.
Şekil 20. CKP Değirmeni CKP ön öğütücü değirmenlerin kullanılmasında esas amaç malzemeyi bilyalı değirmen beslemesi için uygun koşullara ulaştırmaktır. Kısmi bir ufalamanın yanında, temelde, malzemenin yüksek basınçlar altında iç yapısı bozularak bilyalı değirmenlerde kolay öğütülmesi sağlanmaktadır. Uygulanan basınçlar 15 kg/cm2 mertebesinde olup, dik değirmenlerde uygulanan basınçların yaklaşık iki katıdır. Bu basınç değerlerinde ufalanan malzeme, YBMP'lerde olduğu gibi kekleşmiş bir halde değildir ve kekin dağıtılması için fazladan bir enerji ihtiyacı yoktur (44). İlk geliştirildiği yıllarda CKP değirmenleri mevcut öğütme sistemlerinde bilyalı değirmenler önüne konmuş, öğütülecek malzeme CKP değirmenlerinden bir kez geçirildikten sonra bilyalı değirmenlere beslenmiştir. Ancak bu konfigürasyonda kullanılan CKP değirmenleri, besleme malzemesinin tane büyüklüğü dağılımı ve öğütülebilirlik değerlerine hassas olup, bu değerlerdeki değişimler önemli titreşim problemlerine ve değirmen güç çekişinde önemli oynamalara neden olmuştur. Bu sorunları aşmak için ilgili firmalar Şekil 21 'de verilen konfigürasyonu kullanmışlar ve CKP değirmeninde öğütülen malzemenin % 30-40 kadarını herhangi bir sınıflandırmaya tabi tutmaksızın CKP'ye geri döndürmüşlerdir. CKP-R olarak adlandırılan bu sistemde öğütme tablası üzerindeki malzemenin yoğunluğu artmış, malzemenin reolojik özellikleri iyileştirildiğinden titreşim sorunları azaltılmış ve değirmenin maximum güç çekişinde dengeli bir şekilde çalıştırılması sağlanmıştır. CKP-R sisteminde mevcut öğütme kapasitesi % 50-60 artmakta, spesifik enerji tüketimi % 15-20 azalmaktadır. Klinker öğütmede sağlanan bu kazanımlar, çimento hammaddesi öğütülmesinde daha da artmakta ve sırasıyla % 60-120 ve % 25-30 değerlerine ulaşmaktadır (9).
Şekil 21. CKP-R Akım Şeması Chichibu Cement ve Kawasaki firmaları klinker öğütülmesinde kullandıkları CKP değirmenler için akışkan yataklı bir separatör geliştirerek öğütme kapasitesini % 10'a varan oranlarda artırmışlardır. CKP-RS olarak adlandırdıkları bu sistemler CKP-R sistemlerine göre % 12 mertebesinde spesifik enerji kazanımı sağlamıştır (44). CKP değirmenlerinin çimentonun son öğütülmesi için de kullanılması konusunda çalışmalar mevcut olup, sonuçlar olumlu görünmekle birlikte uzun süredir çalışan referans tesisler henüz yoktur. CKP sistemleri, geliştirilmelerinden bu yana özellikle Japonya, Uzakdoğu ülkeleri, Güney Amerika ülkeleri ve Ortadoğu ülkelerinde kabul görmüştür. Ülkemizde herhangi bir kullanımı yoktur. Horomill YBMP'lerin geliştirilmesindensonra ezme mekanizmasının enerji tasarrufu açısından yararları genel bir kabul görmüştür. Ancak bu preslerde uygulanan yüksek basınçların makine ömrü ve işletme güvenilirliği açılarından yarattıkları sorunlar, araştırmacıları bu sorunların aşıldığı, yeni öğütme ekipmanlarının geliştirilmesine yönlendirmiştir. Sonuçta italyan Fratelli Buzzi ve Fransız FCB firmaları, aşağıda verilen hedefler doğrultusunda, öğütme teknolojisi açısından son yılların en dikkate değer gelişmesi olarak tanımlayabileceğimiz Horamill'i geliştirmişlerdir (11). •
YBMP'lerin yüksek enerji verimliliği. Dik değirmenlerin farklı malzemelerin
öğütülmesinde gösterdiği esneklik. •
•
Mekanik güvenilirlik. Bilyalı değirmen ürününün sahip olduğu kalite.
Bu notun 1. kısmında sözü edilen ve 1920'lerde geliştirilen Maxecon değirmenlerin bir versiyonu olarak görebileceğimiz Horamill de halka ve merdane (ring and roller) prensibine dayalı bir değirmen olup, öğütme halkası yatayolarak yerleştirilmiş ve öğütücü merdane sayısı bire indirilmiştir. Maxecon ve Horomill arasındaki temel fark ise Horomill'de merdanenin değil öğütme halkasının tahrik edilmesidir. Şekil 22'de görüldüğü gibi Horomill 'in ana elemanları, tahrik edilen bir öğütme halkası ve bu halka
üzerine hidropnömatik yaylarla bastırılan ve öğütme halkasının yatay ekseninden biraz kayık olarak yerleştirilmiş bir öğütme merdanesidir.
Şekil 22. Horomill Öğütme Prensibi Değirmen silindiri ya da öğütme halkası pabuç yataklar üzerine oturtulmuş ve bir çember dişlipinyon sistemi ile döndürülmektedir. Dönen halkanın her iki tarafındaki kapaklar sabit olup, çeşitli değirmen elemanlarının bu kapaklar üzerine montajı sağlanmıştır. Kapaklar ile halka arasında toz sızdırmaz contalar olup, ayrıca tozlaşmayı önlemek için değirmen içi negatif basınç altında tutulmaktadır. Değirmene beslenen malzeme halka ve basınç yüklü merdane arasında ezilerek öğütülmektedir. Merdanenin halka ile aynı yöndeki dönüşü öğütülen malzemenin oluşturduğu sürtünme kuvveti nedeniyledir. Yukarıda da söylendiği gibi bu öğütme prensibi yeni olmayıp 1920'lerden bu yana bilinmektedir. Değirmen içinde malzeme akışını sağlamak için halka kritik hızın üzerinde döndürülmektedir. Yine bilindiği gibi değirmenlerin kritik hız üzerinde çalıştırılması prensibi de yeni değildir. Hukki R.T. 1950'li yıllarda bilyalı değirmenlerin kritik hızın
üzerinde çalıştırılması ile enerji veriminin arttığını ve daha ince ürün boyutlarına ulaşıldığını ileri sürmüştür (45). Horomill'in kritik hızın üzerinde döndürülmesi beslenen tanelerin merkezkaç kuvveti etkisi ile halka iç çeperine yapışmasını sağlar. Değirmen döndükçe bu taneler merdane ve çeper arasından geçerek öğütülmektedir (Şekil 23a, b) Ancak burada sorun, öğütülen malzemenin değirmen boyunca yatay hareketini sağlayarak dışarı alınmasıiçin uygun bir mekanizmanın oluşturulmasıdır. ilgili literatürden anlaşıldığına göre, çepere yapışan malzemeyi sıyırmak üzere değirmen içine bir sıyırıcı yerleştirilmiştir. Sıyrılan malzeme, yine değirmen içine yerleştirilen ve imalatçılar tarafından "patentli taşıma kutusu" olarak adlandırılan taşıyıcı bir sistem vasıtasıile değirmen dışına alınmaktadır. Değirmen d~şına alınan malzeme, kovalı elevatör ile bir separatöre taşınmakta, separatör incesi son ürün olarak ayrılırken, separatör irisi değirmene geri dönmektedir. imalatçı firmalar "patentli taşıma kutusu" hakkında bilgi vermemekle birlikte, algılandığı kadarıyla bu taşıma sistemi, değirmen kapaklarına asılmış, enine ve boyuna eğimleri değirmen dışından ayarlanabilen bir taşıma oluğudur. Sıyrılan malzeme bu oluk üzerine düşmekte ve eğimlerin optimizasyonu ile malzemenin değirmen içindeki kalış süresi, bir diğer deyişle malzemenin merdane ve çeper arasından kaç kez geçeceği ayarlanmaktadır.
Şekil 23a. Horomill Öğütme Prensibi
Şekil 23b. Horomill Öğütme Prensibi Uygulamada tanelerin değirmeni terketmeden önce merdane ve çeper arasından geçiş sayısı 210 arasında değişebilir. Geçiş sayısının değiştirilmesi ile ürünün incelik ayarı yanında, belli sınırlar içinde. tane iriliği dağılımı da ayarlanabildiğinden, öğütülen malzemenin bu özellikleri konvansiyonel bilyalı değirmenlerden elde edilen ürünün özelliklerine benzemektedir. Bu nedenledir ki, Horamill'de öğütülen çimentonun kalite parametreleri herhangi bir olumsuzluk göstermemektedir. Öğütme sırasında merdane tarafından tanelere uygulanan basınçdeğerleri 60-80 MPa aralığında. olup, bu değerler dik değirmenler ve YBMP'lerde sırasıyla 40-70 MPa ve 70250 MPa aralığındadır. Bu mutedil basınç değerleri yanında Horomill'in bir diğer önemli avantajı da kavrama açısının dik değirmen ve YBMP'lere göre daha büyük oluşudur. Şekil 24'de verildiği gibi bu açılar sırasıyla 18°, 12° ve 6°'dir. Açının büyük oluşu basınç uygulamasının daha uzun bir değme yüzeyi boyunca etkin olması demektir. Uygulanan mutedil basınçlar ve 18°'lik kavrama açısı Horamill'in güvenilirliği ve işletme ömrü konularında ciddi sorunlar yaratmadığı gibi, öğütme verimliliği açısından da çok tatminkar sonuçlar vermektedir.
Endüstriyel Uygulama Endüstriyel boyutta olduğu kabul edilebilir ilk Horomill uygulaması İtalya'da Torino Çimento Fabrikası'nda yapılmıştır. 2200 mm çap ve 2000 mm uzunlukta 25 ton/saat çimento öğütme kapasiteli bu değirmen Eylül 1993'den bu yana işletiImektedir. Değirmenin mekanik ve dinamik davranışları beklenenin de üzerinde tatminkar olmuştur. 3200 Blaine inceliğine öğütülen Portıand çimentosu için değirmenin motor milinde ölçülen güç 16 kwh/ton gibi fevkalade düşük bir değerdir. Ayrıca çimento kalitesi üzerinde yapılan testler, bilyalı değirmen ürünü ile karşılaştırıldığında işlenebilirlik değerlerinin aynı, beton ve harç dayanımlarının daha yüksek olduğunu göstermiştir (11, 46).
Şekil 24. Kavrama Açılarının Karşılaştırılması
Elde edilen verilerin ışığında Horomill'in diğer öğütme sistemlerine göre aşağıda sıralanan genel avantajları olduğu ileri sürülmüştür. Bilyalı değirmenlere gore; •
% 30-50 arası enerji tasarrufu, •
•
Basitlik, işletme kolaylığı, tepki verme süresinin çok kısa oluşu, Düşük kirlilik ve gürültü seviyesi.
•
Kampaklık. Aynı kapasite için HoromiII boyu bilyalı değirmenin yaklaşık 1/3'üdür. Eşdeğer ya da daha iyi çimento kalitesi. Yüksek basınçlı merdaneli preslere göre;
• • •
Son öğütme için tasarılmış olması. Yüksek mekanik güvenirlilik, minimum titreşim, Malzeme dış sirkülasyon yükünün düşük olması, minimum yardımcı ekipman, %
•
•
• • •
20'ye kadar nemlilikteki malzemelerin öğütülebilmesi, Benzer güç tüketimleri. Dik değirmenlere göre; % 20-25 arası enerji tasarrufu, Yüksek mekanik güvenirlilik, Düşük hava hızı, azaltılmış basınç düşmeleri, • Öğütmenin hava süpürmeli olmayışı,
Diğer endüstri kollarına göre daha tutucu olarak bilinen çimento üreticileri, Horomill'in cazibesi karşısında tepkisiz kalmamışlar ve çok kişinin gerçek bir endüstriyel uygulama olarak kabul etmiyeceği 25 ton/saat'lik değirmenden elde edilen sonuçlar bazında, gereksinim duydukları kapasitelerde Horomill 'leri ısmarlamaya başlamışlardır. İlk sipariş 85 ton/saat kapasiteli bir çimento değirmeni için Çimentaş'tan gelmiş olup, bu durum, bir anlamda ülkemiz çimento sektörünün teknolojik gelişmeleri ne denli yakından izlediğini de kanıtlamıştır. Kısa aralıklarla Aslan Çimento, Denizli Çimento, ve Konya Çimento da sırasıyla 100 ton/saat , 2 x 85 ton/saat ve 100 ton/saat kapasiteli değirmenler tesis ederek Çimentaş'ı izlemişlerdir. Bu değirmenlerin özellikle katkılı çimento üretimine uygun olduğu yönünde görüşler vardır. Horomill'in geliştirilmesinin temelinde yatan akılcı mühendislik yaklaşımları dikkate alındığında bunların başarılı sonuçlar vereceği ve diğer sistemlere çok ciddi bir rakip olacağı açıktır.
Çimento Endüstrisinde Kullanılan Farklı Öğütme Sistemlerinin Karşılaştırılması Bilyalı Değirmene Göre Değirmen Tipi
Uygulama
% Kapasite Artışı
% Enerji Tasarrufu
Avantaj
Dezavantaj
Bilyalı Değirmen
Son Öğütme
-
-
Basit, güvenilir
Yüksek spesifik enerji tüketimi
Dik Değirmen
Ön öğütme
40-55
15
Kompakt, öğütme sınıflandırma aynı ünitede
Hava gereksinimi
Dik Değirmen
Son Öğütme
-
15-25
Kompakt, öğütme sınıflandırma aynı ünitede
Ürün kabul edilebilirliği
YBMP
Ön Öğütme
30-40
10-15
Basit
Limitli kapasite artışı
YBMP
Hybrid Öğütme
60-80
10-20
-
Karmaşık kontrol
YBMP
Yarı-Son Öğütme
80-200
15-30
-
Karmaşık kontrol
YBMP
Son Öğütme
-
35-50
-
Ürün kabul edilebilirliği
DMŞK
Ön Öğütme
30-100
20
Basit, ucuz, güvenilir
Limitli kapasite artışı, elek gereksinimi
CKP
Ön Öğütme
60-120
25-30
-
-
CKP
Son Öğütme
-
?
-
-
Horomill
Ön Öğütme
?
?
Mekanik taşınma, YBMP’e göre düşük basınç
-
Horomill
Son Öğütme
-
30-50
Mekanik taşınma, YBMP’e göre düşük basınç
-
