Investigation of the dry grinding behaviour of a chromite ore from Mugla-Karacaoren region in a standard bond ball mill

Abstract

Bu tezin amacı, krom cevherinin bilyalı değirmende öğütme performansının, öğütücü ortam boyu ve dağılımının değirmen ürünü inceliği ve özgül kırılma hızı fonksiyonları üzerine etkilerinin kuru öğütme koşullarında incelenmesiyle değerlendirilmesidir. Ayrıca, değirmen ürünü inceliğine bağlı olarak öğütme enerjisi gereksiniminin tahmin edilmesidir.Bu amaçla, Muğla-Karacaören bölgesinden temin edilen ocak çıkışı cevher, çeneli kırıcı, çubuklu ve standard Bond bilyalı değirmenleri kullanılarak bir dizi kırma ve kuru öğütme işlemlerinden geçirilmiştir. Çubuklu değirmen öğütme aşamasından, 3.35mm'den ince malzeme elde edilmiş ve Bond bilyalı değirmeninde yürütülen kesikli öğütme testlerinde kullanılmıştır. Böylece, kesikli öğütme testlerinde tam bir tane boyu dağılımı kullanılmıştır. Testler, farklı bilya şarjı dağılımları kullanılarak 25sn, 1dk, 3dk, 5dk, 10dk ve 15dk'lık kesikli öğütme zaman aralıklarında yürütülmüştür. Test sonuçlarının birbirleri ile karşılaştırılabilirliğini belirlemek amacıyla, tekrarlanabilirlik testleri yürütülmüştür. Değirmen beslemesi ve çıkışı malzemenin tane boyu dağılımları en iri boydan (3.35mm) 0.038mm'ye kadar Ro-tap kullanılarak kuru elemeyle belirlenmiştir. Kesikli öğütme işleminin özgül enerji tüketimleri Bond'un enerji eşitliğinden tahmin edilmiştir. Değirmen beslemesi, çıkışı tane boyu dağılımları ve teorik Broadbent-Callcott kırılma fonksiyonu, özgül kırılma hızı fonksiyonlarının mükemmel karışım matematiksel boyut küçültme modelinden geri hesaplanmasında kullanılmıştır. Özgül kırılma hızlarının geri hesaplanmasında JKSimMet cevher hazırlama yazılımının model uydurma modülü kullanılmıştır.Test sonuçlarının tekrarlanabilir olduğu belirlenmiştir. Bilya boyu ve şarj dağılımlarının özgül kırılma hızı fonksiyonları üzerine etkilerinin önerilen yöntem ile başarılı bir şekilde yansıtılabildiği belirlenmiştir. Önerilen yöntem ile, her bir bilya şarjı uygulamasında sistematik boyut küçültme elde edilebilmiştir. Değirmende durma zamanı arttıkça, daha ince boyut dağılımı elde edilmiştir. Fakat, 15dk'lık öğütme zamanı aralığında değirmen astarında ve bilya yüzeylerinde malzeme sıvanması gözlemlenmiştir. Durma zamanının artmasıyla, -0.038mm'nin altındaki malzeme miktarında önemli düzeyde bir artış sağlanamamıştır. 25mm ve 20mm tek boyutlu bilya şarjı uygulamalarının öğütme performansı, -3.35+0.850mm tane boyu fraksiyonunun öğütülmesinde düşmüştür. Fakat, 20mm tek boyutlu şarj uygulaması, 0.212mm'den ince tane fraksiyonlarının öğütülmesinde yüksek öğütme performansı göstermiştir. 40mm, 30mm ve 25mm tek boyutlu şarj kompozisyonları, 10dk'dan daha kısa durma zamanı aralıklarında, Standard Bond bilya şarjına göre daha yüksek öğütme performansı göstermiştir. Şarj dağılımı inceldikçe, değirmen ürününün irileştiği gözlemlenmiştir. Farklı incelik değerlerine sahip bilya dağılımları uygulaması, 0.212mm' den ince boyut fraksiyonlarındaki ince malzeme miktarı üretimini önemli düzeyde değiştirmemiştir. Sonuçlar, kromun öğütülmesinde yüksek öğütme performansı elde edebilmek için 20mm'den iri, farklı boyutlarda bilya kullanılması gerektiğini göstermiştir. Farklı şarj uygulamalarında, durma zamanı ve değirmen ürünü'nün P80 boyu arasında anlamlı korelasyonlar çıkartılabilmiştir. Öğütme enerjisi gereksinimi ve değirmen ürünü inceliği (P80) arasında logaritmik bir korelasyon olduğu gözlemlenmiştir. Malzeme durma zamanı ve özgül enerji tüketimleri arasında test koşulları için ilişkiler kurulabilmiştir. Özgül kırılma hızlarının durma zamanı ile değiştiği bulunmuştur. Tek boyutlu bilya şarjı uygulamaları arasında, en yüksek kırılma hızları, malzemenin 25mm'lik bilya şarjı ile 1dk, ve 3dk'lık zaman aralıkları için öğütülmesinde elde edilmiştir. 20mm'lik bilya şarjı uygulamasının 10dk'lık durma zamanından sonra, özgül kırılma hızlarını artırdığını göstermiştir. Tek boyutlu bilya şarjı uygulamaları için, 15dk'dan daha kısa durma zamanı aralıklarında, değirmendeki maksimum bilya boyu (bmax) tarafından kırılabilecek maksimum tane boyu (Xm) arasında anlamlı korelasyonlar çıkartılabilmiştir. Xm ve maksimum kırılma hızı (rmax) değerleri arasında korelasyonlar kurulabilmiştir. bmax ve rmax değerleri arasında da oldukça iyi korelasyonlar kurulabilmiştir.Tam bir boyut dağılımının bilyalı değirmene beslenmiş olması nedeniyle, test sonuçlarının endüstriyel ölçekli uygulamaları temsil edebileceği düşünülmüştür. Bilya boyunun özgül kırılma hızları üzerine etkileri yansıtılabilmiştir. Sonuçlar, işlem optimizasyonu için, kuru öğütme koşullarında bilya şarjı dağılımlarının özgül kırılma hızı fonksiyonları üzerine etkileri konusunun derinlemesine anlaşılmasını sağlayan kullanışlı bilgiler sağlamıştır. Boyut küçültme performansı üzerine yapılan değerlendirmeler, krom cevherinin bilyalı değirmende kuru öğütülmesi konusunda literatüre orjinal bilgiler sağlamıştır.

The purpose of this thesis is to evaluate the ball mill grinding performance of a chromite ore by investigating the grinding media size and charge distribution effects on mill product fineness and specific breakage rate functions in dry grinding conditions. Additionally, to estimate grinding energy requirement on the basis of mill product fineness.For this purpose, run-of-mine ore was provided from Muğla-Karacaören region and subjected to a series crushing and dry grinding processes by using a jaw crusher, rod mill and standard Bond ball mill. Material finer than 3.35mm was obtained from rod mill grinding stage and used in the batch grinding tests in a Bond ball mill. Thus, a full particle size distribution (-3.35mm) was used in all the batch test conditions. Tests were conducted at batch grinding time intervals of 25sec, 1min, 3min, 5min, 10min and 15min by using different ball charge distributions. Reproducibility tests were performed to determine if test results were comparable over each other. Particle size distributions of mill feed and discharge materials were determined by dry screening in a Ro-tap from the top size (3.35mm) down to 0.038mm. Specific energy consumptions of batch grinding process were estimated from Bond's energy equation. Mill feed, discharge particle size distributions and Broadbent-Callcott theoretical breakage function were used to back-calculate specific breakage rate functions from perfect mixing mathematical size reduction model. Model fitting module of the JKSimMet mineral processing software was used in the back-calculation of specific breakage rates.Test results were determined to be repeatable. Ball size and charge distribution effects were found to be successfully reflected on specific breakage rate functions with the proposed methodology. Systematic size reduction was achieved in each ball charge application case with the proposed methodology. Finer particle size distribution was obtained as the retention in the mill was increased. However, coating on the mill liner and on the surface of the balls were observed for 15min grinding time interval. vii A significant increase in the amount of -0.038mm material could not have been achieved with the increase in residence time. Grinding performance of 25mm and 20mm monosize ball charge applications were observed to decrease in grinding the size fraction of -3.35+0.850mm. However, 20mm monosize charge application indicated higher grinding performance in grinding the size fractions finer than 0.212mm. 40mm, 30mm and 25mm monosize charge compositions indicated higher grinding performance as compared to Standard Bond ball charge at residence time intervals shorter than 10min. As the charge distribution got finer, coarser mill product was observed. Production of fine material amount did not change significantly in the size fractions finer than 0.212mm with the application of ball distributions with different fineness values. Results indicated that, different ball sizes which are coarser than 20mm should be used in the charge in grinding of chromite ore for higher grinding performance. Meaningful correlations could have been drawn between residence time and P80 size of the mill product in different charge applications. A logarithmic correlation between grinding energy requirement and mill product fineness (P80) was observed. Relationships between material residence time and specific energy consumptions could have been established for the test conditions. Specific breakage rates were found to change with residence time. Among the monosize ball charge applications, highest breakage rates were obtained by grinding the material with 25mm ball charge for 1min and 3min time intervals. 20mm ball charge application indicated to increase the specific breakage rates after 10min residence time. Meaningful correlations could have been derived between maximum particle size (Xm) that can be broken by the maximum ball size in the mill and maximum ball size (bmax) for monosize charge applications at residence time intervals shorter than 15min. Correlations could have been established between Xm and maximum breakage rate (rmax) values. Relatively good correlations could have been established between bmax and rmax values as well. Test results were thought to be representative of the industrial scale applications as a full size distribution was fed to ball mills. Ball size effects could have been reflected on the specific breakage rates. Results, provided useful information for insights about ball charge distribution effects on specific breakage rate functions in dry grinding conditions for process optimization. Evaluations on size reduction performance provided original information to the literature on dry grinding of chromite ore in a ball mill.