FIRIN MANTO SICAKLIĞINI KONTROL ALTINDA TUTMAK

Giriş
Öncelikle “döner fırın üzerine su püskürtmek” konusundaki geleneksel kaygılar bir kenara atılmalıdır, zira olağan bir sağanak yağış, sıcaklığı yadsınamayacak fırın mantosun üzerine az sonar tarif edilecek sistemden daha az su bırakmamaktadır.
Günümüzde giderek artan enerji tüketimi, üretkenlik, emisyon ve operasyonel maliyet kaynaklı baskılar çimento üreticilerini farklı geliştirme seçeneklerine yönlendirmektedir. Proses yeniden tanımlanmalı ve adapte edilmelidir. Makineler modernize&optimize edilmeli, kullanılan teknolojiler geliştirilmeli ve bunlarla birlikte çalışanlar eğitilmeli ve sürece dahil edilmelidir.
Döner fırınları ele aldığımızda bu gelişim genel olarak günlük kapasite artışları ve alternatif yakıt kullanımı konularında sınırlı kalmaktadır. Bu operasyonel optimizasyonların olumsuz tarafı ise fırın operasyonu için yapılması gereken bakım çalışmalarındaki ve masraflarındaki artış olarak karşımıza çıkmaktadır. Yıl boyunca bakım ekipleri iki planlı duruş arasında fırını beklenmedik duruşlara karşı koruyarak çalışır halde tutabilmek için ciddi zaman harcamaktadırlar. Bu kapsamda özellikle bir parametre her geçen gün daha zorlu hale gelmektedir: fırın manto sıcaklığını kontrol altında tutmak ve manto kesiti boyunca çevresel sıcaklık farkı piklerini engellemek.
Günümüzde fırın manto sıcaklıklarının yıllar öncesine göre daha hızlı ve daha öngörülemez bir biçimde değişiklik gösterme eğiliminde olduğu gözlemlenmektedir. Geleneksel sıcak noktalar ve fırın mantosunda sıcaklığın zaman zaman daha yüksek olabildiği bilinen noktalar haricinde (sinter bölgesi, ring civarları vs…), eskiden daha az kritik sayılan bölgelerde de artık beklenmedik bir biçimde ve sürpriz sıcaklıklar okunabilmektedir. Fırın mantolarında gözlemlenen bu sıcaklık artış trendlerine karşı koyabilmek için Almanya/Juelich merkezli KIMA Echtzeitsysteme, su buharlaştırma prensibine dayanan KilnCoolerTM sistemini geliştirmiştir. Peki sıcak metal yüzeyde su buharlaştırmak ne gibi riskler doğurabilir? Sistem bir mucize vaat etmemesine karşın kullanıcı geri bildirimleri beklenmedik ani fırın duruşlarını engellemekte büyük ölçüde yardımcı olduğunu göstermiştir. Takip eden bölümde bunu daha detaylı inceleyeceğiz.
Tecrübeli fırın operatörlerine fırın manto sıcaklığının yükselmesinde başlıca hangi sebeplerin etkili olduğu sorulduğunda, genel olarak verilen cevaplara göre malzeme ve ekipman açısından aşağıdaki dört başlık listelenmektedir:
• Alternatif yakıt kullanımının artması> refrakterler üzerinde yüksek aşınmaya ve sürekli değişen şartlar sebebiyle heterojen mal sarmasına sebebiyet vermektedir.
• Daha büyük fırınlar, daha yüksek mekanik gerilimler > fırın genelinde ovaliteye sebebiyet vererek refrakter kaplamalarda hasar oluşturmaktadır.
• Uygun olmayan refrakter kullanımı (yetersiz dayanım ve ömür).
• Düzensiz kaplama.
Elbette fırın manto sıcaklığının yükselmesinde operasyon modu, çevresel faktörler gibi başka sebepler de etkilidir.
Kritik sıcaklık artışlarının ana sebepleri fırından fırına, tesisten tesise hatta ülkeden ülkeye değişebilir, fakat ana etkisi neredeyse her yerde aynıdır: manto sıcaklığının gözle görülebilir sıcak noktalar yaratacak kadar artması sonucu planlanmamış acil fırın duruşları.
Böyle bir acil duruş kolaylıkla 6 güne kadar hatta daha fazla uzayabilir. Yalnızca bu durumun yaratacağı üretim kaybının hesaplanması bile, buna benzer plansız acil duruşları engellemenin ticari önemini anlamaya yetecektir. Tablo-1 4000tpd kapasiteli bir fırın hattından örnek veriler yansıtmaktadır. Bu örnek hesaplamada olası ek masraflar dikkate alınmamıştır. (ek çalışan ödenekleri, fırını yeniden ısıtmak için gereken yakıt maliyeti vs.)
Bu basit hesap bizlere örneğin 4000 tpd yerine 10000tpd ya da daha yüksek kapasiteli bir tesiste ne kadar ciddi bir üretim kaybına dayalı zarar çıkacağını göstermektedir. Şayet fırın hatlarının iki planlı duruş arasında devamlı çalışması sağlanarak bu gibi acil duruşlar engellenebilirse, örneklendirilen bu ticari kayıplar olmayacaktır, dolayısıyla ortaya çıkan ticari avantaj önemli proses optimizasyon projelerinde kullanılabilir ve tesis yönetimi üzerinde baskı bu yolla azaltılabilir.
Fırın duruşları ve buna bağlı üretim ve bakım kayıpları engellenmek istendiğinde yapılması gereken ivedilikle manto sıcaklıklarının balans noktalarına çekilmesi ve fırın bölgesine göre istenilen hedef sıcaklıklarda kontrol altına alınmasıdır. Bunu başarmanın anahtarı ise kontrollü noktasal soğutma sağlayabilmek ve soğutmanın verimliliğidir. Mevcut soğutma ortamları olan su ve hava fiziksel açıdan kıyaslandığında, suyun soğutma verimliliği havadan birkaç mertebe daha yüksektir. Aşağıdaki örnek hesaplama bu iki medya arasındaki büyük erimlilik farkını göstermektedir (Tablo-2’de verilen varsayımlara dayalı olarak):
Sıcak metal bir yüzeye su spreyleme işlemi sırasında doğru miktarda su kullanımı oldukça önemlidir. Aşırı su kullanımı soğutma oranının çok yüksek olmasına ve mekanik stresler oluşturarak metal yapıda hasarlar oluşmasına sebep olabilir. Yetersiz su kullanımında ise sıcaklık düşüşü çok yavaş olabilir, ya da en kötü durumda sıcaklık yükselmeye devam edebilir. Ancak doğru miktarda su kullanımı ile yeterli sıcaklık düşüş hızı sağlanabilir ve istenilen değerde stabilizasyon sağlanabilir. Bu sebeple, diğer bileşenlerin yanı sıra bir su soğutma sistemi şu dört ana fonksiyona sahip olmalıdır:
1. Sürekli sıcaklık kontrolü uygulanacak bölgenin kesin ve güvenilir sıcaklık ölçümünün yapılabilmesi,
2. Nozulların doğru biçimde su spreyleyebilmesi ve bu sayede suyun yüzeye tanecik halinde ulaşarak tamamen buharlaşabilmesi,
3. Sıcaklık ölçümleri ve su spreyleme mekanizması arasında doğru bağlantıları kurabilecek bir kontrol sistemi,
4. Operasyonel güvenliği koruyabilmek için sürekli otokontrol yapabilen bir sistem.
Sayılan sebeplerden ötürü, sunulan patentli fırın soğutma sistemi 4 nozullu bir yapılandırma ile gelmektedir. Her bir nozul yüzey sıcaklık ölçümlerini yapan kızılötesi ısıölçer ile gelmektedir ve yüksek seviyede kontrol mekanizması mevcuttur. Her ısıölçerin 120°C/248°F ile 1000°C/1832°F arası ölçüm kapasitesi olup, küçük birer koruyucu gövde ve eser miktarda hava kullanımı ile sürekli temiz tutulmaları sağlanmaktadır. Isıölçerlerin kapsamından bağımsız olarak KilnCooler ünitesinin kontrol mekanizması 500°C’den sıcak yüzeylere su spreylenmesini otomatik olarak engellemektedir. Bu güvenlik değeri manuel olarak düşürülebilmektedir.
Sprey nozulları farklı orifis geometrilerinde ve farklı kapasitelerde sunulabilmektedir. Nozulların birkaç dakika içerisinde değiştirilebilir olması, sistemin bulunduğu proses şartlarına ve ihtiyaç duyulan soğutma oranlarına kolayca ve hızla adapte edilebilmesi anlamına gelmektedir. Tek bir mobil ünitenin soğutabildiği toplam uzunluk 2.6 metredir. Daha uzun mesafeler için birden fazla sistem akuple edilebilir ve 10 metre ve üzeri soğutma ihtiyaçlarında sabit (statik) sistem kurulumları da mümkün olmaktadır.
Sunulan bu sofistike soğutma sisteminin yüksek soğutma verimliliğinin yanı sıra bir diğer büyük avantajı da keskin zamanlama sağlamasıdır. Su akışı milisaniyeler içerisinde açılıp kapanabilmektedir ki bu imkan günümüz hava fanlarında mevcut değildir. Bu kabiliyet aşırı sıcak alanların normal sıcaklıklara çekilerek komşu bölgelerle arasında oluşacak sıcaklık farklarını ve bu farklardan doğacak mekanik stresleri engellemek için oldukça önemlidir. Sürekli çalışan bir soğutma sisteminin verimliliği, keskin zamanlamayla çalışan bir sisteme göre oldukça düşük kalmaktadır. Bunun sebebi konvansiyonel sistemlerle yalnızca aşırı ısınmış alanın değil soğutma uygulanan tüm çevrenin soğuma etkisine maruz bırakmasıdır.
Yalnızca aşırı sıcak bölgenin keskin zamanlama ile soğutulması mekanik stresleri azaltabilir. Fakat hala dikkat edilmesi gereken aşırı soğutma ihtimali ve buna bağlı riskler de söz konusudur. Aşırı ısınmış alanlarda metal genleşerek yapıda streslere ve deformasyona sebep olabilir. Bu durum refrakteri de etkilemektedir. Konvansiyonel sürekli soğutma sistemleri sadece aşırı sıcak bölgeyi değil tüm çevreyi soğuttuğu için, fırının bu segmenti çevresel olarak daralarak refrakter üzerinde baskı oluşturabilir.
Çalışmalar, hesaplamalar ve yerinde denemeler ortaya çıkartmıştır ki, 2°C/dk mertebesinde bir soğutma hızı, sıcaklıkları dengelemek ve aynı anda mekanik stresleri azaltmak için ideal bir değerdir. Bu değer ayrıca gerekli olması durumunda yüksek seviye kontrol sisteminin muhtelif ayarlamalar yapabilmesine de imkan tanımaktadır. Metal yüzey sıcaklığı 600°C/1112°F değerine ulaşmadığı sürece sıcak yüzeye su spreylemek çeliğin mikro yapısına zarar vermemektedir. KilnCooler kontrol sistemi KIMA tarafından 500°C’lik bir üst değer için sınırlandırılmış olarak sunulmaktadır. Keza bu değerin üzerinde manto sıcaklıkları zaten fırın duruşu gerektirecektir.
Sistemin güvenli ve verimli soğutma kapasitesinin pratik kanıtları, özellikle KIMA’nın araştırma partneri olan Heiderberg Grubu’nun Almanya Ennigerloh tesisindeki sonuçlarla karşımıza çıkmaktadır. Alman Çimento Endüstri Birliği (VDZ)’nin katılımıyla gözlemlenen 24 saatlik termal okumalar ve illüstrasyonlar Şekil-7’de görülmektedir.
Bu çalışmada sistemin 50 Kelvin’e varan mertebelerde düzensiz ısınmış fırın mantosu üzerinde kullanımı görülmektedir. Fiili deneme esnasında soğutma sisteminin saat 14.00’te devreye girmesi ile 50 K sıcaklık düşüşü 2 saat içerisinde gerçekleşmiştir. Önceden verilmiş set değeri olan 350°C sıcaklık mertebesine ulaşılırken spreylenen su miktarı düzenli olarak ve önemli ölçüde azalmıştır. Yalnızca 6 saat sonra su soğutma sistemi su sarfiyatını kesmiştir. Sistem kapatıldıktan sonra sadece marjinal bir sıcaklık artışı olması ve sıcaklığın stabil devam etmesi, söz konusu bölgede yeni bir koruyucu malzeme katmanını oluştuğunu ve bu bölgede daha fazla soğutma operasyonuna gerek kalmadığını göstermektedir. Daha sonra değinilecek olan farklı çimento fabrikalarında gerçekleşen vaka çalışmalarında da, aşırı ısınan bölgelerin bu sistemle kontrol altına alınmasının beklenmedik fırın duruşlarını engellediği teyit edilmiştir.
Çeliğin değişken streslere dayanımının pek çok farklı parametreye bağlı olduğu düşünüldüğünde, Kiln- Cooler sisteminin kullanımı farklı bir açıdan da ele alınabilir. Çeliğin dayanımı aşağıdaki etkenlere göre değişiklik gösterebilir:
• Sıcaklık
• Yüzey kalitesi
• Metalürjik mikro yapı
• Oksidan ya da inert kimyasalların varlığı
• Artık stres (üretim kaynaklı)
• En belirgin olarak; çeliğin çalışma süresi boyunca maruz kaldığı yük döngüsü (çevrim)
Maruz kalınan yük döngüsü fırının dönüş hızı ve sayısıyla belirgin olduğu için, diğer parametreler, özellikle sıcaklık yakından takip edilmeli ve kontrol altında tutulmalıdır. Çeliğin yorulmasını engellemek için sıcaklığın 400°C / 752°F mertebesinin altında tutulması önerilmektedir.
Şekil-9’daki grafik (Wöhler-Eğrisi), prensip olarak çeliğin değişken yükten kaynaklanan stres altındaki yorulma karakteristiğini göstermektedir. Grafik; tekrar eden yükün şiddetini (S), kırılmadan önceki çevrim sayısına (N) göre logaritmik olarak göstermektedir. Çeliğin sıcaklık arttıkça, kırılmadan önce dayanabildiği çevrim sayısı önemli ölçüde azalmak- tadır. Dolayısıyla tüm gövde boyunca kontrol altında ve stabil tutulan sıcaklığın, fırın ömrüne yapacağı katkı tahmin edilebilir.
Bu veriler ışığında KilnCooler sistemini yalnızca aşırı sıcak noktalar oluştuğunda değil, 250-300°C mertebesinden itibaren devreye almanın mantıklı olduğu görülmektedir. Dip not olarak; KIMA Echtzeitsysteme, “aşırı sıcak nokta” ibaresiyle kesinlikle 500°C’nin altındaki sıcaklıkları kastetmektedir, AKKOR YÜZEYLER SÖZ KONUSU DEĞİLDİR. Eğer manto sıcaklığı 480°C ve üzerine ulaşıyor ise, bu bölgede refrakterin çoktan hasar gördüğü ya da yok olduğu söylenebilir. Bu durumda KilnCooler sistemi de prosesi düzeltmeye yardımcı olamayacaktır ve fırın duruşu gereklidir. Ayrıca sistem elbette kötü bakım çalışmaları ya da yanlış/yetersiz refrakter seçiminden kaynaklanacak problemleri ortadan kaldırmayacaktır.
Son olarak standart kireçli suyu sıcak fırın mantosuna spreylemekle ilgili şu üç soru da akla gelebilir:
1. Manto üzerinde oluşacak kireç katmanı ısı transferini etkiler mi?
Yanıt:
Teorik olarak kireç tabakasının, fırın mantosundan dış ortama ısı transferini etkileyebilmesi için kritik bir kalınlığın üzerinde olması gerekmektedir. Fakat fiili tecrübeler göstermiştir ki manto üzerindeki aşırı kuru ortam ve fırının kendi dönüş hareketi sebebiyle, oluşan kireç tabakası hiçbir zaman kritik kalınlığa ulaşmamaktadır. Oluşan tabaka kritin kalınlığa yaklaşamadan parçalanarak mantodan dökülmektedir.
2. Oluşan kireç talabasının beyaz şeritleri fırın sensörlerinin okumalarını etkileyebilir mi?
Yanıt:
Kireçtaşının yayınırlığı 0,95 değeri ile, 0,69 birimlik paslı çelikten çok daha yüksektir. Bu sebeple kireç tabakasının fırın sensörleri üzerinde bir olumsuz etkisi yoktur.
3. Kirecin nozulları ya da borulamayı tıkaması ihtimali var mıdır?
Yanıt:
Elbette kireç sistemde tıkanmalara sebep olabilir, fakat sistem bunun için sürekli olarak oto- kontrol yaparak su basıncını ve debisini görüntülemektedir. Bir tıkanıklık oluşması halinde ki şimdiye kadar aylarca çalışmış olan örneklerde bile henüz yaşanmamıştır– sistem bir hata mesajı oluşturacak ve mevcut sinyalizasyon üzerinden operatörü uyaracaktır.
Akabinde filtre, nozul ya da valflerin temizliği/yenilenmesi dakikalar içerisinde yapılabilir.
Bazı örnek vakalar:
LEUME Çimento, Gartenau, Salzburg, Avusturya:
“Alpler’de yer alan Salzburg’da genelde yağmur geçişleri serttir ve fırınımızın üzerine mevcut sistemden daha fazla su bırakmaktadır. Sistem tesisimizde Ağustos 2015’ten beri kullanılmaktadır.
2015 kışında, yeni başlanan alternatif yakın kullanımı ve olması gerekenden daha ince refrakter tabakası sebebiyle ilk aşırı sıcak manto noktaları oluşmaya başladığında, bu sistem bizlere 2 aydan fazla ek üretim süresi sağlamıştır. Yanma bölgesinin hemen önünde malzeme yatağı oluşturmak konusunda ciddi sıkıntılarımız vardı ve bu dönemde ilk defa topak malzeme oluşmaya başlamıştı. Bu sistem sayesinde söz konusu bölgede stabil malzeme yatağı oluşturmayı başardık ve planlı duruş tarihi olan Ocak ayına kadar tam kapasiteyle ulaşmayı başardık. Hava fanları ile bu sorunu çözmemiz mümkün olmamıştı.
Şu anda sistem malzeme yatak bozulmalarına ve aşırı sıcak noktalara karşı günlük olarak kullanımdadır.” (Mühendis Klaus Czepl, Üretim Müdürü)
Holcim Fabrikası Hoever, Hannover, Almanya:
“Kasım. 2015’te sistemi kurduğumuzda çok şanslıydık. Kurulumdan yalnızca birkaç hafta sonra ve tam da Noel tatilinden hemen önce çok ciddi mantı sıcaklık problemleri yaşamaya başladık. İncelmiş refrakter tabakası ve bozulan malzeme yatağı sebebiyle çok büyük bir aşırı sıcak manto bölgesi oluştu. Sorunu KilnCooler su sprey soğutma sistemi ile çözüm noktasına gittik ve sadece saatler içerisinde yeni bir malzeme yatağı oluşturarak manto sıcaklıklarını dengelemeyi başardık.
Su soğutma sistemi olmasaydı, tatil boyunca fabrikamızda az sayıda bakım personeli olacağı için en az 2 haftalık süreçte fırını durdurmamız gerekecekti. Böylece Ocak ayındaki planlı duruşa kadar üretimimizi sürdürebildik. Kesinlikle bir başarı hikayesi! (Mühendis Matthias Heuer, Üretim Müdürü)
Afrisam Fabrikası Dudfield, Lichtenburg, Güney Afrika:
“Sunulan fırın soğutma sistemi mükemmel çalışmaktadır. 12,0m noktasında oluşan aşırı sıcak bölgelerin sistem sayesinde kısa bir süre içerisinde 350°C’den 250°C’ye düşmüştür.
Bu çalışmadan birkaç saat sonra 9,0m bölgesinde ikinci bir aşırı sıcak bölge oluştu. Sistemi bu bölgeye kaydırarak ±4 saat içerisinde buradaki manto sıcaklığını da 390°C’den 330°C’ye indirmeyi başardık. (Theo Conra- die, Proses mühendisi)
Özet:
Geçtiğimiz 2 yıl içerisinde gerçekleşen operasyonlar, dünya genelinde fırın manto sıcaklık problemleri yaşayan pek çok tesiste, Almanya’da geliştirilen KilnCooler sisteminin fırın çalışma sürelerini haftalar hatta aylar bazında arttırdığını göstermiştir. Sistem aşırı sıcak noktaları bertaraf ederek sıcaklıkları arzu edilen seviyelerde tutmuştur. Ayrıca –prosesin elverdiği yerlerde– sistemin soğutma yaptığı bölgelerde yeni malzeme yatağı oluşumuna, dolayısıyla daha homojen bir yalıtım tabakası elde edilmesine yardımcı olduğu görülmektedir. Sistem, bakım ekiplerine destek olarak, onlara gerekli bakımları planlamak ve refrakter tedarikçileri ile gerekli çalışmaları yapmak için gerekli zamanı sağlamaktadır. Çok düşük enerji sarfiyatı sayesinde (2-20W) operasyonel maliyetler oldukça düşüktür. Kullanılan su miktarının, yıl içerisinde fırın mantosuna düşen yağmur suyu miktarına kıyasla daha düşük olduğu ve sistemin sadece 500°C’den düşük manto sıcaklıklarında çalışması sayesinde manto çeliğine hiçbir olumsuz etkisi olmadığı kanıtlanmıştır. Suyun soğutma verimliliği ile anlık noktasal müdahale yeteneği aynı sistemde birleşince, özellikle sezon bitimine doğru artan manto sıcaklık problemlerine karşı oyunun kurallarını değiştiren, yüksek teknolojili bir çözüm ortaya çıkmıştır. Sistem nispeten daha düşük sıcaklıktaki alanlarda ne kadar erken kullanıma alınırsa, mantonun ve refrakterin ömrünü uzatmak konusunda o kadar etkili olacaktır.