Çimento Değirmeni Nedir?

Bir  çimento değirmeni  (veya  finiş değirmeni  in North American usage^[1] ) is the equipment used to grind the hard, nodular clinker from the cement kiln into the fine grey powder that is cement. Most cement is currently ground in ball mills and also vertical roller mills which are more effective than ball mills.

Tarih

James Parker, James Frost ve Joseph Aspdin'inkiler gibi erken dönem hidrolik çimentoları nispeten yumuşaktı ve yassı değirmen taşları kullanılarak günün ilkel teknolojisiyle kolayca öğütüldü. 1840'larda Portland çimentosunun ortaya çıkması öğütmeyi önemli ölçüde zorlaştırdı, çünkü fırın tarafından üretilen klinker genellikle değirmen taşı malzemesi kadar sertti. Bu nedenle, daha iyi öğütme teknolojisi mevcut olana kadar çimento çok kaba öğütülmeye devam etti (tipik olarak 100 µm partikül çapı üzerinde %20). Yavaş dayanım büyümesine sahip reaktif olmayan çimento üretmenin yanı sıra, bu, sağlamlık sorununu şiddetlendirdi. Bu geç, yıkıcı genişleme, büyük kalsiyum oksit parçacıklarının hidrasyonundan kaynaklanır. İnce öğütme bu etkiyi azaltır ve satışa uygun hale gelmeden önce kalsiyum oksidin hidrate olması için erken dönem çimentolarının birkaç ay saklanması gerekiyordu. 1885'ten itibaren, özel çeliğin geliştirilmesi, yeni öğütme ekipmanı biçimlerinin geliştirilmesine yol açtı ve bu noktadan itibaren, çimentonun tipik inceliği istikrarlı bir şekilde yükselmeye başladı. Daha büyük, reaktif olmayan çimento parçacıklarının oranındaki kademeli azalma, yirminci yüzyılda Portland çimentosunun mukavemetindeki dört kat artıştan kısmen sorumlu olmuştur.^[2]  Teknolojinin yakın tarihi, temel olarak öğütme işleminin enerji tüketimini azaltmakla ilgilendi.

Malzemeler zemin

Portland klinkeri çoğu çimentonun ana bileşenidir. Portland çimentosunda, trikalsiyum alüminatın hidratasyonunu geciktirmek için biraz kalsiyum sülfat (tipik olarak %3-10) eklenir. Kalsiyum sülfat, doğal alçıtaşı, anhidrit veya baca gazı kükürt giderme alçısı gibi sentetik atıklardan oluşabilir. Ayrıca %5'e kadar kalsiyum karbonat ve %1'e kadar diğer mineraller eklenebilir. Belirli bir miktar su ve az miktarda organik öğütme yardımcıları ve performans arttırıcılar eklemek normaldir. “Karışımlı çimentolar” ve Duvar çimentoları, büyük miktarda (%40'a kadar) doğal puzolan, uçucu kül, kireçtaşı, silis dumanı veya metakaolin içerebilir. Yüksek fırın cürufu çimentosu, %70'e kadar öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu içerebilir. Bkz. çimento. Alçı ve kalsiyum karbonat nispeten yumuşak minerallerdir ve hızla ultra ince parçacıklara öğütülür. Öğütme yardımcıları tipik olarak %0.01-0.03 oranında eklenen, yeni oluşan kırık mineral parçacıklarının yüzeylerini kaplayan ve yeniden topaklaşmayı önleyen kimyasallardır. ^[3]  1,2-propandiol, asetik asit, trietanolamin ve lignosülfonatları içerirler.

Sıcaklık kontrolü

Öğütme işleminde üretilen ısı, alçıtaşının (CaSO ₄2H ₂O) su kaybetmesine neden olarak bassanit (CaS04 ₄.0.2-0.7H₂O) or γ-anhydrite(CaSO₄.~0.05H₂O). The latter minerals are rapidly soluble, and about 2% of these in cement is needed to control tricalcium aluminate hydration. If more than this amount forms, crystallization of gypsum on their re-hydration causes “false set” – a sudden thickening of the cement mix a few minutes after mixing, which thins out on re-mixing. High milling temperature causes this. On the other hand, if milling temperature is too low, insufficient rapidly soluble sulfate is available and this causes “flash set” – an irreversible stiffening of the mix. Obtaining the optimum amount of rapidly soluble sulfate requires milling with a mill exit temperature within a few degrees of 115 °C. Where the milling system is too hot, some manufacturers use 2.5% gypsum and the remaining calcium sulfate as natural α-anhydrite (CaSO₄). Complete dehydration of this mixture yields the optimum 2% γ-anhydrite. In the case of some efficient modern mills, insufficient heat is generated. This is corrected by recirculating part of the hot exhaust air to the mill inlet.

Bilyalı Değirmenler

Bilyalı değirmen, kendi ekseni üzerinde dönen, bilyelere yuvarlanma ve basamaklama hareketi veren çelik bilyelerle (veya bazen başka şekillerle) kısmen doldurulmuş yatay bir silindirdir. Değirmenden geçen malzeme darbe ile ezilir ve bilyeler arasındaki aşındırma ile öğütülür. Öğütme ortamı genellikle yüksek kromlu çelikten yapılır. Daha küçük kaliteler bazen küresel olmaktan ziyade silindiriktir (“peb”). Değirmenin içeriğinin santrifüj etkisi nedeniyle değirmenin çatısının üzerinden basitçe geçtiği bir dönme hızı (“kritik hız”) vardır. Kritik hız (rpm) şu şekilde verilir:  n _C  = 42.29/√ D, burada  Dmetre cinsinden iç çaptır. Bilyalı değirmenler normalde kritik hızın yaklaşık %75'inde çalıştırılır, bu nedenle 5 metre çapında bir değirmen yaklaşık 14 rpm'de dönecektir.

Değirmen genellikle en az iki odaya bölünmüştür (bu, besleme giriş boyutuna bağlı olsa da - bir silindir pres içeren değirmenler çoğunlukla tek odacıklıdır), farklı boyutlarda öğütme ortamının kullanılmasına izin verir. Girişte, klinker nodüllerini (çapı 25 mm'nin üzerinde olabilen) kırmak için büyük bilyeler kullanılır. Buradaki top çapı 60–80 mm aralığındadır. İki odacıklı bir değirmende, ikinci odadaki ortam tipik olarak 15-40 mm aralığındadır, ancak bazen 5 mm'ye kadar olan ortamlarla karşılaşılır. Genel bir kural olarak, ortamın boyutu öğütülmekte olan malzemenin boyutuna uygun olmalıdır: büyük ortamlar bitmiş çimentoda gereken ultra ince parçacıkları üretemez, ancak küçük ortamlar büyük klinker parçacıklarını kıramaz. Medya boyutlarının sıkı bir şekilde ayrılmasını sağlayan dört bölmeye sahip değirmenler bir zamanlar kullanılıyordu, ancak bu artık nadir hale geliyor. Çok odalı değirmenlere alternatifler:

• ardışık olarak çalışan, farklı boyutlu ortamlarla doldurulmuş değirmen çiftleri.
• bilyalı değirmende ince öğütmeden önce klinkeri ezmek için alternatif teknolojinin kullanılması (aşağıdaki Roll-preslere bakın).

Değirmenden bir hava akımı geçirilir. Bu, değirmeni serin tutmaya yardımcı olur ve aksi takdirde hidrasyona neden olacak ve malzeme akışını bozacak olan buharlaşmış nemi süpürür. Tozlu egzoz havası genellikle torba filtrelerle temizlenir.

Kapalı devre sistemleri

Bir bilyalı değirmende öğütmenin erken aşamalarının verimliliği, ultra ince parçacıkların oluşumundan çok daha fazladır, bu nedenle bilyalı değirmenler, en verimli şekilde, kaba bir ürün yaparak, bunun ince fraksiyonları ayrılarak ve kaba parça yaparak çalışır. değirmen girişine döndürülür. Girişe geri dönen değirmenden çıkış malzemesinin oranı, sıradan çimento öğütülürken %10-30'dan çok ince çimento ürünleri için %85-95'e kadar değişebilir. Bitmiş ürün inceliğinde minimum miktarda malzemenin girişe geri döndürülmesi sistem verimliliği için önemlidir. Modern separatörler, çok hassas bir boyutta "kesim" yapabilir ve enerji tüketiminin azaltılmasına önemli ölçüde katkıda bulunur ve hem ürünü hem de iade edilen malzemeyi soğutmaları ve böylece aşırı ısınmayı en aza indirmeleri gibi ek avantajlara sahiptir.

Etkin kapalı devre sistemleri, sıkı parçacık boyutu kontrolleri nedeniyle, nispeten dar parçacık boyutu dağılımlarına sahip çimentolara yol açar (yani belirli bir ortalama parçacık boyutu için, daha az büyük ve küçük parçacıklara sahiptirler). Bu, klinkerin mukavemet-üretim potansiyelini maksimize etmesi bakımından avantajlıdır, çünkü büyük partiküller inerttir. Genel bir kural olarak, her bir parçacığın yalnızca 7 μm'lik dış "kabuğu" betonda hidratlanır, bu nedenle 14 μm çapından büyük herhangi bir parçacık her zaman reaksiyona girmemiş bir çekirdek bırakır. Bununla birlikte, ultra ince parçacıkların olmaması bir dezavantaj olabilir. Bu parçacıklar normalde bir çimento hamurunda daha büyük parçacıklar arasındaki boşlukları doldurur ve yoksa eksiklik fazladan su ile kapatılır ve bu da daha düşük mukavemete yol açar. Bu, çimentoya %5 kalsiyum karbonat eklenerek giderilebilir: bu yumuşak mineral, değirmenden ilk geçişte yeterli ultra ince taneler üretir.

 

Çeşitli incelik dereceleri için tipik değirmen güç tüketimi. Gerçek değerler değirmen sistem verimliliğine ve klinker sertliğine göre değişmektedir.

Enerji tüketimi ve çıkışı

klinker sertliği

Klinkerin sertliği, öğütme işleminin enerji maliyeti için önemlidir. Hem klinkerin mineral bileşimine hem de termal geçmişine bağlıdır. En kolay öğütülen klinker minerali alittir, bu nedenle yüksek alitli klinkerler, fırında yapılması daha pahalı olmasına rağmen öğütme maliyetlerini düşürür. En sert mineral belittir, çünkü daha serttir ve biraz plastiktir, bu nedenle kristaller değirmende çarpıldığında parçalanmak yerine düzleşmeye eğilimlidir. Klinkerin yanma şekli de önemlidir. Klinker, kombinasyon için minimum sıcaklıkta hızla yakılır, daha sonra hızla soğutulur, kolayca öğütülebilen küçük, kusurlu kristaller içerir. Bu kristaller genellikle reaktivite için de idealdir. Öte yandan, aşırı sıcaklıkta uzun süre yanma ve yavaş soğutma, öğütülmesi zor ve reaktif olmayan büyük, iyi şekillendirilmiş kristallere yol açar. Böyle bir klinkerin etkisi, öğütme maliyetlerini iki katına çıkarmak olabilir.

valsli değirmenler

Bunlar uzun yıllardır daha az zahmetli ham öğütme işlemi için kullanılmıştır, ancak son zamanlarda valsli değirmenler, yüksek verimli ayırıcılarla birlikte çimento öğütme için kullanılmıştır. Öğütme eylemi, bilyalı değirmene göre malzeme üzerinde çok daha fazla baskı uygular ve bu nedenle daha verimlidir. Enerji tüketimi tipik olarak bir bilyalı değirmeninkinin yarısı kadardır. Bununla birlikte, çimentonun tane boyutu dağılımının darlığı sorunludur ve süreç henüz geniş çapta kabul görmemiştir.

Yüksek basınçlı rulo presler

These consist of a pair of rollers set 8–30 mm apart and counter-rotating with surface speed around 0.9 – 1.8 m.s^{Bunlar, 8–30 mm aralıklı ve yaklaşık 0,9 – 1,8 ms -1} . Silindirlerin yatakları, 50 MPa veya daha fazla basınç sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Silindirler arasında çekilen malzeme yatağı, yüksek oranda kırılmış parçacıkların levha benzeri bir aglomerasyonu olarak ortaya çıkar. Bu işlemin enerji verimliliği nispeten yüksektir. Çimento inceliğinde malzeme sağlayacak bir dağılma önleyici ve ayırıcı da dahil olmak üzere sistemler tasarlanmıştır. Bununla birlikte, parçacık boyutu dağılımı yine bir problemdir ve merdaneli presler, çimentonun tek odacıklı bir bilyalı değirmende bitirildiği bir "ön öğütme" işlemi olarak artık giderek daha popüler hale gelmektedir. Bu, iyi bir çimento performansı sağlar ve standart bir bilyalı değirmen sistemine kıyasla enerji tüketimini %20-40 oranında azaltır.

Çimento değirmenlerinin kapasitesi

Bir çimento fabrikasındaki çimento değirmenleri, genellikle, fabrikanın fırınlarının çıktısından çok daha büyük bir klinker tüketimi için boyutlandırılmıştır. Bu iki nedenden dolayıdır:

• Değirmenler, pazardaki çimento talebindeki zirvelerle başa çıkacak şekilde boyutlandırılmıştır. Ilıman ülkelerde, çimentoya yönelik yaz talebi, genellikle kışın olduğundan çok daha yüksektir. Kış aylarında üretilen fazla klinker, yaz talep zirvelerine hazır olarak depoya girer. Bu nedenle, mevsimsel talebi yüksek olan tesislerde genellikle çok büyük klinker depoları bulunur.
• Çimento öğütme, bir çimento fabrikasında elektrik gücünün en büyük kullanıcısıdır ve kolayca başlatılıp durdurulabildikleri için, çimento değirmenlerini yalnızca daha ucuz gücün mevcut olduğu “yoğun olmayan” dönemlerde çalıştırmak genellikle işe yarar. Bu aynı zamanda, üretim kapasitelerini 24 saat boyunca dengelemek için büyük kullanıcılarla elektrik fiyatları konusunda pazarlık yapabilen elektrik üreticileri için de uygundur. Genellikle "güç kesme" gibi daha karmaşık düzenlemeler kullanılır. Bu, enerji tedarikçisinin uygun fiyatlar karşılığında kritik bir talep zirvesi beklediğinde, çimento üreticisinin tesisi kısa sürede kapatmasından oluşur. Açıkça görülüyor ki, bu tür kesintilerden sonra “yetişmek” için çok fazla çimento öğütme kapasitesine ihtiyaç var.

Ürün kalitesinin kontrolü

Sıcaklık kontrolüne (yukarıda bahsedilen) ek olarak, ana gereklilik, ürünün tutarlı bir inceliğini elde etmektir. En eski zamanlardan beri, incelik çimentonun elenmesiyle ölçülmüştür. Çimentolar daha ince hale geldikçe, elek kullanımı daha az uygulanabilir, ancak 45 μm'lik bir elekte kalan miktar, genellikle hava jetli eleme veya ıslak eleme ile ölçülmektedir. Bu elekten geçen miktar (tipik olarak modern genel amaçlı çimentolarda %95), çimentonun genel dayanım geliştirme potansiyeli ile ilgilidir, çünkü daha büyük parçacıklar esasen reaktif değildir.

Günümüzde inceliğin ana ölçüsü spesifik yüzeydir. Çimento parçacıkları yüzeylerinde su ile reaksiyona girdiğinden, spesifik yüzey alanı doğrudan çimentonun ilk reaktivitesi ile ilgilidir. Üretici, öğütme inceliğini ayarlayarak, tek bir klinkerden bir dizi ürün üretebilir. İstenen tutarlı günlük performansa sahip çimento elde etmek için inceliğin sıkı kontrolü gereklidir, bu nedenle çimento üretilirken 24 saat boyunca ölçümler yapılır ve değirmen besleme hızları ve ayırıcı ayarları buna göre ayarlanır. sabit spesifik yüzey korumak.

Parçacık boyutu analizi ile daha kapsamlı bir incelik resmi verilir ve alt mikrometreden yukarıya doğru mevcut her bir boyut aralığının miktarının bir ölçüsünü verir. Bu, esas olarak bir araştırma aracıydı, ancak ucuz, sanayileşmiş lazer kırınım analizörlerinin ortaya çıkmasıyla, rutin kontrol için kullanımı daha sık hale geldi. Bu, robotize bir laboratuvarda otomatik olarak toplanan numunelerle beslenen bir masa üstü analiz cihazı veya giderek yaygınlaşan, doğrudan değirmenin çıkış kanallarına bağlanan aletler şeklini alabilir. Her iki durumda da sonuçlar, incelik kontrolünün tam otomasyonuna izin vererek doğrudan değirmen kontrol sistemine beslenebilir.

İnceliğin yanı sıra çimentoya eklenen malzemeler de kontrol edilmelidir. Alçı ilavesi durumunda, kullanılan malzeme sıklıkla değişken kalitededir ve alçı besleme hızını ayarlamak için sonuçları kullanarak, tipik olarak x-ışını floresansı ile çimentonun sülfat içeriğini düzenli olarak ölçmek normal bir uygulamadır. Yine, bu süreç genellikle tamamen otomatiktir. Kireçtaşı, cüruf ve uçucu kül gibi eklenen diğer malzemelere benzer ölçüm ve kontrol protokolleri uygulanır.

Mr. Nick Sun   [email protected]