VRM OPTİMİZASYONU

Keith Marsay, Larry Gibson and Josebhine Cheug, GCP Applied Technologies, USA
Öğütme yardımcılarının ve yenilenmiş rafine edilmiş proses stratejilerinin eklenmesi, dik valsli değirmenlerin (VRM) performansını artırabilir. Değirmen devresindeki toplam nemin etkin yöntemi ile birlikte uygun öğütme katkılarının kullanılması, VRM’nin daha iyi çalışmasına ve sonuçta çimento kalitesinin daha iyi olmasına önemli ölçüde katkı yapacaktır.
Çimento üretiminde dik valsli değirmenlerin (VRM’ler) kullanımı, aşağıdakiler de dahil olmak üzere güçlü argümanlarla desteklenmektedir:
• Daha yüksek enerji verimliliği,
• Daha hızlı tepki süreleri,
• Daha küçük fabrika ayak izi,
• Daha az aşınma oranları.
Bununla birlikte, bazı VRM operatörleri daha düşük çimento kalitesi ile karşılaşabilirler.
Bir VRM’nin öğütme mekanizması (sıkıştırmayla öğütme) bir bilyalı değirmenden (darbeli öğütme) önemli ölçüde farklı olduğundan, bazı operatörler her bir sistemin nihayetinde çimento performansını etkileyen belirli bir partikül şekli ürettiğini düşünüyorlardı.
Bir VRM ve bir bilyalı değirmende öğütülen çimento parçacıklarının şekillerini karşılaştıran Şekil 1a-1d’deki görüntülere dayanarak, VRM ürünü (bkz. Şekil 1a ve 1c) ile bilyalı değirmen ürünü (bkz. Şekil 1b ve 1d) arasında belirgin bir fark yoktur.
Bu gözlem, zayıf VRM çimento performansının altında yatan sorunun fiziksel bir özellik olmadığını teyit eder. Bu nedenle, bu makale, iyi bilinen fail olan çimento ön hidratasyonu üzerine odaklanır ve bu fenomeni asgariye indirmek veya hatta önlemek için en iyi uygulamaları sunar.
Bir hatırlatma olarak, Tablo 1 ve 2 (2014’te yapılan bir çalışmadan alınan) çimento ön hidratasyonunun bir fonksiyonu olarak çimento performansının kötüleşmesini özetlemektedir. Bu durumda, kızdırma kaybı (LOI) olarak ifade edilen ön hidratasyonun derecesi, tüm yaşlardaki kürlenme mukavemetini olumsuz etkilemektedir.
Başlangıç priz sürelerine etkisi
Çimentonun ön hidratasyonunun başlangıç priz sü- resine etkisi (IST) son yıllarda belirginleşen daha yaygın bir sorundur. Çimento fabrikaları genelde hem bilyalı değirmenleri hem de daha yeni VRM sistemlerini aynı anda çalıştırırlar. Çoğu durumda, VRM yapımı çimento, önemli ölçüde daha yüksek bir IST’ye sahiptir. Bu genellikle mutsuz beton müşterilerine yol açar ve GCP’den priz süresi hızlandırıcısı tedarik talebi ile sonuçlanabilir.
Bununla birlikte, geleneksel priz süresi hızlandırıcıların bu tür çimentolarda sınırlı faydası olduğu kanıtlanmıştır  hem GCP’de hem de çimento fabrikalarında karşılıksız kalır.
Bir araştırmada, bir fabrika yeni bir VRM sistemini devreye soktuktan sonra, bilyalı değirmen veya daha eski VRM ile üretilen önceki çimentoların priz süreleri ile karşılaştırıldığında priz süresinde 60 ila 120 dak. arasında değişen uzamalar gözlemlemiştir.
Ne yazık ki, QXRD, XRD ve PSD analizlerini yaptıktan sonra, priz süresi ile alit / belit oranı (bkz. Şekil 2a) arasındaki korelasyonlar veya PSD ile bağlantı kurulamamıştır.
Bununla birlikte, Şekil 2b ve 2c’de vurgulanan diğer parametrelerle birlikte priz süresi korelasyonları gözlemlenmiştir. (Çimento içindeki sıva miktarı ve ön hidrtasyon indeksi (Wk.)) Wk, amaçlanan kullanımdan önce hidratasyon ürünlerinde erken oluşan suyun miktarını gösterir.
Daha spesifik olarak, çimentonun termogravimetrik analizi sırasında Wk, alçıtaşı dehidrasyonu ve portlandit bozunması arasında oluşan ağırlık kaybının bir ölçüsüdür.
Ek olarak, çimentoya 100°C’lik bir fırında 30 dakika süreyle ısıl işlem uygulanması, alçıtaşının alçıya dönüştürülmesini sağlamıştır.
Bu dönüşüm genellikle priz süresindeki uzamaları geri almaya yardımcı olur.
Bununla birlikte, bu durumda, çimentonun yüksek sıcaklıklara maruz kalması, priz süresini yalnızca kısmen geri kazandırmış ve 24 dakikalık bir azalma sağlamıştır.
Her şeye rağmen, ön hidratasyon ürünlerinin varlığına bağlı performans kaybı telafi edilememiştir.
Önceden hidratasyona maruz bırakılan çimentonun SEM görüntüleri Şekil 3b’de gösterilenlere benzerdir.
Nedenler ve çareler
Gecikmiş IST’nin temel nedeni, parçacık yüzeyindeki ön hidratasyon katmanı gibi gözükmektedir. Bu etkili bir şekilde hidratasyonun ve priz süresi hızlandırıcılarının faaliyetini geciktiren fiziksel bir bariyer oluşturur, böylece priz süresini geciktirir ve sonuçta mukavemeti geliştirir.
Kaçınılmaz olarak çimento partikülleri nihayet hidratlaşacak ve kabul edilmeyecek IST ve iki günlük mukavemet yerine 28 gün mukavemete sahip çimento ile sonuçlanacaktır.
Bu durumlarda, arzu edilen priz süresi ve mukavemeti elde etmek için çimento fabrikalarının çimentoları daha yüksek incelikte öğütülmesi gerekecektir.
Bu soruna yönelik olası bir çözüm, ön hidratasyon derecesini azaltmaktır.
Bu da, daha düşük öğütme basıncına ve değirmen üretkenliklerinin geliştirilmesine neden olacaktır.
Ayrıca, ön hidratasyondaki bir azalma, geleneksel kalite iyileştirici öğütme yardımcıları ile klinkerin daha hızlı bir şekilde kimyasal olarak etkinleştirilmesini sağlayacaktır. Bu nedenle, bu çözüm, ardından bir kimyasal ivmelenme (eğer ihtiyaç duyulursa) gelen bir işlem optimizasyonu gerektirir. Bir kaç fabrika, aşağıdaki en iyi uygulamalarla bu zorlukların üstesinden gelebilmiştir.
Rutin testler
Mamul çimentonun ön hidratasyonunun saatlik testi tercih edilse de, bu uygulanabilir değildir. Saatlik üretim numuneleri üzerinde ön hidratasyon testi yapmak iyi bir başlangıçtır. Üretim sırasında çimentonun suya maruz kalmasını en aza indirgemek için, bazı fabrikalar öğütme yatağını stabilize etmek için su kullanımını kısıtlar.
Ne yazık ki, bazı durumlarda, istikrarlı öğütme işlemini sürdürmek için değirmen tablası üzerine aşırı miktarda su eklenir ve çimento performansı üzerindeki olumsuz etkisi tolere edilir. Operasyon ekibinin nem kontrolünün önemi konusunda eğitilmesi, sadece gelişigüzel bir su limiti uygulamaktan daha iyi bir yol izlemektir.
İzleme sıcaklığı
Değirmen çıkışında genellikle 100 ̊C’yi aşmaya ayarlanmış sıcaklıklar gözlemlenir.
Bu modifikasyon, masadaki nemin tamamının buharlaşmasını sağlamasına rağmen, bu buharlaşan suyun daha sonra değirmen girişine geri dolaşımı sağlanırsa, strateji sınırlı bir değerde kalabilir.
Deneyimler, en güvenilir VRM’lerin, 85-95°C’lik bir değirmen çıkış sıcaklığında çalıştıklarını göstermiştir.
Doğrudan su ilavesinin ötesinde düşünmek
Öğütme yatağına uygulanan suyun hacimsel oranının sınırlandırılması, çözümün yalnızca bir parçasıdır.
Öğütme işleminde kullanılan toplam suyun yönetimi esastır.
VRM’ler daha verimli öğütme sistemleridir ve bu şekilde ısı ve ses oluşumu yoluyla önemli miktarda enerji harcamazlar.
VRM devresinde, sıcaklığın korunması için değirmen proses gazlarının değirmen girişine geri devir daim yaptırılması genel bir uygulamadır.
Bu, takdire şayan bir enerji tasarrufu olsa da, bunun işlem gazlarındaki nemi tekrar değirmen girişine geri döndürdüğü göz ardı edilir.
Sonuç olarak, eğer nem yükü proses gazları devir daim yapılırsa, nispeten ılımlı su ekleme oranları (ağırlıkça<%1) dahi ön hidratasyon sorunlarına yol açabilir.
Hammaddelerin nem içeriği de dikkate alınmalıdır.
Basit bir CEM I yapıldığında genelde bu bir sorun değildir.
Bununla birlikte, yüksek nitelikli kalker veya puzolanik çimento durumunda, önemli miktarda ilave nem sistemin içine girebilir.
Bunun iyi bir örneği ağırlık itibariyle %7-15 nem muhteviyatı ile %20 puzolan içeren bir CEM II üret en bir VRM tesisi idi.
Değirmeni stabilize etmekte kullanılan su bulunmamasına rağmen, fabrika hala ön hidratasyona maruz bırakılmış mamul çimentoyla karşılaşmıştı ve bu muhtemelen, değirmen çıkış gazının sıcaklığını hedefin üzerinde tutmak için proses gazlarının yüksek devir daiminden kaynaklanmaktaydı.
Bu olaydaki çözüm, her zaman değirmen devresine giren daha kuru temiz bir havanın olması ve yüksek nemli işlem gazlarının bir kısmının atmosfere boşaltılarak sürekli olarak temizlenmesini sağlamaktır. Fırın soğutucusundan çıkan sıcak gazlar, değirmen çıkışından çıkan nemli proses gazlarının yerini almak için iyi bir kuru hava kaynağıdır.
İdeal bir süreçte, sistemdeki su üzerinde kütle dengesi kurulmalı ve bu, temiz hava miktarını kontrol etmek için kullanılmalıdır.
Bununla birlikte genel bir temel kural, tüm proses gazlarının en az % 20’sinin temizlenmesi ve değiştirilmesi gereğidir.
Ancak, bazı fabrikalarda bunun başarılması zor olabilir.
Bu nedenle, fabrikaların ikinci veya üçüncü temiz hava damperiyle çalışması alışılmadık bir durum değildir.
Bu sorunu yönetmenin diğer bir yolu da, değirmen çıkış gaz nemini veya çiğlenme noktasını rutin olarak izlemek ve bunu bir PID kontrolörü aracılığıyla temiz hava damper(ler)ini kontrol etmek için kullanmaktır.
Bir fabrikadaki değirmen çıkış nemliliği rutin olarak izlenir ve kontrol edilir.
Nem ayar noktasını 20 dakikadan fazla aşarsa, değirmen otomatik olarak kapanır.
Bazıları bu yaklaşımı oldukça sert olarak görse de, bu belirli fabrika kabul edilebilir IST ve erken dayanıklılık performansından faydalanır.
Optimal gaz sirkülasyonu sağlandıktan sonra, Şekil 4, su ilavesinin progresif olarak indirgenmesinin, değirmendeki toplam nem içeriğini daha da azaltacağı ve sonuç olarak daha düşük çimento ön hidratasyonuna yol açtığını önermektedir.
Genel olarak, değirmen operatörünün, sürecin kararlılığını bozmadan su ilavesini azaltmasını sağlayan çok etkili bir yöntem, öğütme yardımcısının dozajını arttırmaktır.
Şekil 5, Şekil 4’deki ile aynı öğütme sisteminden öğütme yatağına su ilavesi (sonuçta sistemdeki toplam nem) ile Wk arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Şekil 4’te gösterilen toplam nem ve su ilavesi arasındaki istisnai korelasyona rağmen, nem kontrolü amacıyla kullanılan araçların en güvenilir araçlar olmayabileceği ve toza duyarlı olabileceği unutulmamalıdır.
Bu nedenle, bu tür yöntemlere çok fazla güvenmeden önce düzenli rutin bakım ve kalibrasyon gereklidir.
Kimyasal katkıların etkisi
Çimento proses katkı maddeleri (örneğin basit öğütme yardımcıları) topaklanmış partikülleri dağıtarak ve mamul çimentonun akışkanlığını arttırarak çalışır.
Bu özellikler hem bir VRM hem de bir bilyalı değirmen için geçerlidir.
Daha kontrollü malzeme akışkanlığı, havalandırma işlemini ‘yumuşatarak’ silindirlere hammaddelerin girmesini arttırır.
Bu, sürtünmeyi ve sonuçta oluşan titreşimdeki değişimi azaltır.
Geliştirilmiş çimento dağılımı değirmen ayırıcısından geri dönen topaklanmış ince malzemenin miktarını düşürür ve bu da öğütme stabilitesine daha da yardımcı olur.
Bir dizi öğütme sistemi ve öğütme yardımı formülasyon ile kazanılan tecrübe, bazı öğütme yardımcılarının VRM’ler için diğerlerinden daha uygun olduğunu önermektedir.
Bununla birlikte, her durumda, bir proses katkı maddesinin kullanılması, yatak stabilizasyonuna yönelik su talebini azaltmaya yardımcı olabilir.
Bu da, eklenen suyun soğutma etkisini hafifletir ve devredeki sıcaklığın korunmasına yardımcı olur, böylece nem yüklü proses gazlarının dolaştırılması ihtiyacını azaltır.
Yüksek bir nem içeriğinin sonucu oldukça tesirli olabilir.
Ancak, VRM’yi su olmadan çalıştırmak, biraz ihtiyatlı olma ve sıklıkla normalden daha fazla öğütme yardımcısı dozajı ile mümkündür.
Şekil 6, basınç direncini arttırmak için bir VRM’deki toplam nem içeriğini asgariye indirmenin değerini göstermektedir.
Ayrıca, hammadde büyüklüğü, değirmen stabilitesi üzerinde temel bir etkiye sahiptir.
200’den fazla VRM üzerinde yapılmış bir araştırmanın iç verileri, çimento öğütmenin genellikle daha iri taneli besleme hammaddesi ile daha kararlı olduğunu ve toz gibi ince hammadde ile sorunlu olduğunu ortaya koymuştur. Şekil 7’de gösterildiği gibi, iki farklı fabrikada iki VRM’nin (aynı marka ve modelde) her biri aynı incelikte aynı çimento türünü yapmaktadır.
Şekil 7a’daki değirmen, 128 t/h’de, % 4’lük su ilavesi ve 400 ppm’lik bir öğütme kolaylaştırıcıyla çalışmaktadır. Şekil 7b’deki değirmen, 185 t/h’de, yüzde sıfır su ve 600 ppm GCP öğütme kolaylaştırıcısıyla çalışmaktadır.
Bir değirmeni her zaman bir öğütme kolaylaştırıcısı ile stabilize etmek mümkün olmasa dahi, farin ebadı dağılımı, kimyası ve klinker kalitesi dikkate alındığında VRM stabilitesi önemli ölçüde iyileştirilebilir.
Çimento üreticisinin uzmanlığına bağlı olarak, bu geliştirme, maliyeti az veya maliyetsiz olarak elde edilebilir, ancak tüm proses için önemli fayda sağlamaktadır.
GCP ürünleri, prosesin kuru ve sorunsuz bir VRM operasyonu sağlamasına odaklanarak uygun öğütme katkılarını kullanmak suretiyle çimento performansını geliştirmeyi hedeflemektedir.
Özet
GCP, bilyalı değirmen ve VRM çimentosu arasındaki performans farkının büyük oranda proses faktörlerine bağlı olduğu sonucuna varmıştır.
Gözlemlenen performans farklılığı, sadece yatağın stabilizasyonu için uygulanan su ile değil değirmen devresindeki toplam nemin yönetimi ile ilgilidir.
Ek olarak, sektörde önde gelen bir çimento katkı maddesi tedarikçisinden sınıfının en iyi proses uzmanlığına sahip bir öğütme yardımcısının kullanılması, bitmiş çimentonun performansında ve kalitesinde önemli gelişmelere neden olacaktır.