An investigation on the effects of design and operational parameters on grinding performance of multi-compartment ball mills used in the cement industry

Abstract

Bu tez çalışmasında, çimento öğütme devrelerinde kullanılan kamaralı bilyalı değirmenlerin işletme ve tasarım değişkenleri ile öğütme performansı arasındaki ilişkilerin doğrudan tesis verileri kullanılarak araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, öğütme işleminin performansı Whiten (1972) tarafından önerilen mükemmel karışım modeli bazında değerlendirilmiştir. Model öğütme işlemini matematiksel olarak üç temel parametre yardımıyla ifade etmektedir. Bu parametreler; malzemenin ekipman içerisinde kırılma olasılığını belirleyen kırılma hızı (seçim) fonksiyonu, malzemenin taşınma hızını ifade eden çıkış hızı fonksiyonu ve malzemenin yapısına bağlı olarak değişen kırılma dağılımı fonksiyonudur. Değirmen beslemesi, ürünü ve kırılma dağılımı fonksiyonunun belirlenmesi durumunda modelde yer alan (r/d) birleştirilmiş öğütme model parametresi geri hesaplanabilmektedir. Literatürde (Napier Munn et al.,1996) yaş öğütme yapan sistemler için, (r/d) model parametresi ile değirmen işletme ve tasarım değişkenleri arasındaki ilişkiler tanımlanmış durumdadır. Fakat yaş öğütme yapan bilyalı değirmenlerde değirmen içerisinden temsili numune alma işleminin, pulp'ın akışkanlığı nedeniyle oldukça zor olması, öğütme performansını etkileyen değirmen işletme ve tasarım değişkenleri etkilerinin ancak r/d model parametresi üzerine yansıtılmasına olanak vermiştir. Kırılma ve çıkış hızı parametrelerinin ayrı ayrı değerlendirilebilmesi ancak değirmen içi yükü ve boyut dağılımlarının bilinmesi durumunda mümkün olmaktadır. Bu çalışmada, kuru öğütme yapan kamaralı bilyalı değirmenlerde kırılma (r) ve çıkış hızı (d) parametrelerinin ayrı ayrı değirmen işletme ve tasarım değişkenlerine bağlı olarak değişimleri Benzer (2000) değirmen model yapısı temel alınarak değerlendirilmiştir.Çalışma kapsamında 27 farklı çimento fabrikasında 40 adet endüstriyel devre örneklemesi çalışmaları yürütülmüştür. Devre etrafı ve değirmen içi numune alma çalışmaları öğütme devrelerinin dengede olduğu dönem içerisinde gerçekleştirilmiştir. Değirmen içi örneklemesi için ani duruş yapılmış ve değirmen boyunca numune alma işlemi gerçekleştirilmiştir. Değirmen içi örnekleme çalışmaları değirmen yükünün ve ortalama boyut dağılımının belirlenebilmesini sağlamıştır. Değirmen doluluk oranını belirleyebilmek için, değirmen boşluğunda dikey uzunluk ölçümleri alınmış ve bu ölçümler değirmen doluluğu hesabında kullanılmıştır. Örnekleme çalışmaları süresince kontrol odasından önemli kontrol parametreleri kaydedilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında, numunelerin tane boyu analizleri en üst boydan 150µm'ye kadar kuru elek analizi ile, 150µm'nun altı lazerli tane boyu ölçüm cihazı kullanılarak yapılmıştır. Kırılma dağılım fonksiyonu ağırlık düşürme test yöntemi ile, değirmen beslemelerinin öğütülülebilirlikleri standart Bond iş indeksi testi ile belirlenmiştir. JKSimmet paket programındaki madde denkliği modülü kullanılarak devre etrafında madde denkliği hesaplamaları yapılmıştır.Çalışmadan çıkarılan sonuçlar şu şekilde özetlenebilir:oİkinci kamaralar ile tek kamaralı değirmenler için hesaplanan çıkış hızı fonksiyonları literatürde (Leung, 1987) yaş öğütme yapan otojen değirmenler için verilen karakteristik çıkış hızı fonksiyonları ile benzerlik göstermiştir. Birinci kamaranın ilk bölmesi için tanımlanan taşınma hızı fonksiyonunun, ara bölme diyaframda meydana gelen eleme etkisi ve değirmen beslemesi sertliğine bağlı olarak meydana gelen birikme etkisiyle iri boylarda arttığı belirlenmiştir.oSabit değirmen hacmi için çıkış hızı kapasite artışına paralel olarak artmaktadır.oSabit değirmen kapasitesi ve çap koşulu için, çıkış hızı değirmen uzunluğu arttıkça düşmektedir.oÇıkış hızı fonksiyonlarının hacimsel besleme hızına ve değirmen hacmine göre normalize edilmesi durumunda, besleme boyut dağılımı irileştikçe, değirmenden çıkış hızı artmaktadır.oFarklı değirmenlerin hacimsel besleme hızına ve değirmen hacmine göre normalize edilmiş çıkış hızı fonksiyonları saçınım göstermiştir. Bunun nedenleri çıkış hızının hava hızı ve bilya yüküne bağlı olarak değişim göstermesi olabilir.oTahmin gücü yüksek bir değirmen modelinin oluşturulabilmesi için arabölme diyaframı tasarım parametrelerinin (yarık geometrisi, yarık açıklığı, yarık pozisyonu, orta göbek ızgara açıklıkları, şekli, diyafram açık alan yüzdesi, orta göbek açık alan yüzdesi) sınıflandırmaya etkilerinin belirlenmesi detaylı bir çalışma gerektirmektedir.oÖğütme kamarasındaki maksimum bilya boyunun kırabileceği maksimum tane boyutu olan Xm'in r/d fonksiyonlarından her zaman belirlenemediği fakat kırılma hızı fonksiyonlarından belirlenebildiği görülmüştür. Literatürde (Napier Munn et al., 1996), bilya boyu etkileri Xm boyuna bağlı olarak r/d fonksiyonları üzerine yansıtılmıştır. Xm boyunun r/d fonksiyonlarından belirlenemediği durumlarda modelin tahmin gücü zayıflamaktadır. Bu bağlamda bilya boyu etkilerinin birleştirilmiş r/d parametresi yerine kırılma hızı üzerine yansıtılması gerekmektedir.oUygulanan en iri bilya boyunun aynı olduğu farklı değirmenler ele alındığında Xm boyunun bir üst yada alt boya kaydığı görülmüştür. Bu durum değirmen beslemesinin kırılma karakteristiğindeki değişimden kaynaklanabilir.oBilya boyunun kırılma hızı üzerine etkisi birinci ve ikinci kamaralarda incelenmiştir. Bilya boyu etkisinin incelenmesinde farklı tesislerde çalışan aynı çaptaki değirmenler ele alınmış, ikinci kamarada uygulanan bilya boyu dağılımının incelmesiyle kırılma hızlarının arttığı belirlenmiştir.oKapalı devre çalıştırılan değirmenin açık devre çalıştırılması durumunda kırılma hızlarının düşen kapasiteye bağlı olarak belirli bir oranda arttığı görülmüştür.oSınıflandırıcı astarların bilya sınıflanması ve sonuç olarak kırılma hızı üzerine etkisi belirlenmiştir. Sınıflandırıcı astarların bulunmadığı değirmenlerde bilyaların ters sınıflandığı ve değirmen sonuna doğru kırılma hızının düştüğü belirlenmiştir.oDeğirmen çapı arttıkça kırılma hızıda artmaktadır.oDeğirmen beslemesi iş indeksinin düşmesiyle, kırılma hızının arttığı belirlenmiştir.oÖğütme yardımcısının etkisi çıkış hızına bağlı kırılma hızı fonksiyonları üzerinde incelenmiş ve öğütme yardımcısının kırılma hızını artırdığı görülmüştür. Öğütme yardımcısı etkisinin kırılma ve çıkış hızı üzerine etkisi ayrı ayrı belirlenmelidir.oÇimento öğütmesi yapan değirmende hava hızı değişiminin devre kapasitesi üzerinde önemli bir etkisi olmadığı belirlenmiştir. Hava hızının kırılma ve çıkış hızı üzerine etkileri hava-süpürmeli hammadde değirmenlerinde incelenmelidir. Bu kapsamda, aynı değirmenin farklı hava hızlarında işletilmesi ve her koşulda örnekleme çalışmalarının yürütülmesi gerekmektedir.oDeğirmen beslemesi kırılma karakteristiği ağırlık düşürme testi ile belirlenmiştir. 8mm'den ince tanelerin testinde yöntem duyarlılığını kaybetmektedir. Bu nedenle, 8mm'den ince boyların kırılma karakteristiğinin belirlenebileceği bir yöntem araştırılmalı ve kırılma fonksiyonunun tane boyuna bağlı değişimi belirlenmelidir. Sistematik bir değişim gözlenmesi durumunda, malzeme kırılma özelliklerinin öğütme model parametrelerine daha iyi yansıtılabilmesi için mükemmel karışım model yapısında tane boyuna bağımlı bir kırılma matrisi tanımlanmalıdır.

In this thesis, it was aimed to investigate the relationships between the operational and design variables and grinding performance of multi-compartment ball mills used in cement grinding circuits by using the industrial-scale data directly.With this aim, performance of the grinding process was evaluated based on the perfect mixing model proposed by Whiten (1972). The model defines the grinding process with the aid of three fundamental parameters. These parameters are; breakage rate (selection) function which defines the breakage probability in the equipment, discharge rate function which defines the transportation rate and breakage distribution function which varies depending on the material structure. Combined (r/d) grinding model parameter could be back-calculated if the mill feed, product and breakage distribution function is determined. For wet grinding systems, relations between the mill operational and design variables have been defined in the literature (Napier Munn et.al., 1996). However, in wet grinding ball mills, difficulty in the collection of represantative samples from inside the mill due to the pulp fluency, enabled just the reflection of the effects of operational and design variables on r/d model parameter. Evaluation of breakage and discharge rate parameters individually is possible just when the mill inside load and size distributions are known. In this study, variations of breakage (r) and discharge rate (d) parameters in dry-grinding multi-compartment ball mills were evaluated individually in relation with the operational and design variables based on the Benzer (2000) mill model structure.In the context of the study, 40 industrial circuit sampling studies were performed in 27 different cement plants. Circuit and mill inside sampling studies were conducted during the steady-state condition of the grinding circuits. For inside mill sampling, crash-stop was performed and sampling studies were conducted along the mill. Inside mill sampling studies enabled the determination of mill load and average size distribution. In order to determine mill filling ratio, vertical length measurements were conducted and used in the calculation of mill filling level. During the sampling studies, important control parameters were recorded in the control room.In the context of the laboratory studies, size distribution analysis of the samples from the top size down to 150µm were performed by dry screening and -150µm sub-sieve sample by laser particle size analyser. Breakage distribution function was determined by drop-weight test method and mill feed grindabilities by standard Bond work index test. Mass balance calculations were done around the circuit by using mass balance module in the JK Simmet program.Conclusions drawn could be summarized as follows:oDischarge rate functions calculated for the single compartment and second compartments of the mills showed similarity to the characteristic discharge rate functions given for autogenous mills in the literature (Leung, 1987). Discharge rate function which was defined for the first segment of the first compartment was determined to increase at coarse size ranges based on the accumulation existed as a result of the screening effect at the intermediate diaphragm and mill feed hardness.oFor a constant mill volume, discharge rate increases in parallel with the capacity increase.oFor a constant mill capacity and diameter, discharge rate decreases as the mill length increases.oWhen the discharge rate functions are normalized based on the volumetric feed rate and mill volume, discharge rate through the mill increases as the feed size distribution gets coarser.oDischarge rate functions which were normalized according to the volumetric feed rate and mill volume showed scatter. Reasons for this condition could be the variation of discharge rate based on the air flow rate and ball load.oIn order to define a predictive mill model, effects of design parameters of the intermediate diaphragm (slot geometry, slot opening, slot position, intermediate diaphragm slot openings, shape, diaphragm open area per cent, intermediate grate open area per cent) on classification requires a detailed study.oMaximum particle size (Xm) which can be broken by the maximum ball size in the grinding compartment was found to be not determined for every condition from r/d functions however could be determined from breakage rate functions. In the literature (Napier Munn et al., 1996), ball size effects are reflected on r/d functions based on the Xm particle size. The predictivity of the model gets worse in cases when Xm size could not be determined from r/d functions. In this respect, ball size effects should be reflected on breakage rate instead of combined (r/d) parameter.oWhen different mills in which the same maximum ball size is applied, the Xm size is determined to be shifted to the upper or lower size. This condition could be as a result of the mill feed breakage characteristics.oThe effect of ball size on breakage rate was investigated in the first and second compartments. In the evaluation of the ball size effect, mills having the same diameter operating at different plants were considered and breakage rates were determined to increase as the ball size distribution applied gets finer in the second compartment.oWhen the closed circuited mill is operated at open circuit condition breakage rates were observed to increase at a certain ratio based on the capacity decrease.oEffect of classifying liners on ball size classification and as a consequence on breakage rate was determined. Inverse ball size classification was observed in mills without classifying liners and breakage rates were decreased towards the end of the mill.oAs the mill diameter increases, breakage rate increases as well.oBreakage rate was determined to increase as the work index of the mill feed was decreased.oThe effect of grinding aid was investigated on the discharge rate dependent breakage rate functions and it was observed that, grinding aid increases the breakage rate. Effect of grinding aid on breakage and discharge rate should be determined individually.oIt was determined that, airflow rate variation on circuit capacity has no significant effect in cement grinding mills. Effect of air flow rate on breakage and discharge rate in air-swept raw material grinding mills should be investigated. In this context, the same mill should be operated at different air flow rates and in every condition sampling studies should be carried out.oBreakage characteristic of the mill feed was determined by drop-weight test. The method loses its sensitivity in testing of particles finer than 8mm. For this reason, a method in which the breakage characteristics of particles finer than 8mm should be investigated and the variation of breakage functions with particle size should be determined. In case of a systematic variation, size dependent breakage matrix should be defined in the perfect mixing model structure in order to reflect the breakage properties of materials on grinding model parameters in a better way.