R. Todd Swinderman, P.E. ve Martin Engineering ABD’den Andy Marti, yığın malzeme biliminin elektrik santrallerinde kömür taşıma operasyonlarını nasıl iyileştirdiğini inceliyor.
Kömür taşıma sistemlerinin mühendisliğindeki en büyük gelişmelerden biri, dökme malzeme biliminin artan kullanımıdır. Bu alan, hem dökme katı hem de dökme katıların üzerinden veya içinden geçeceği yapı malzemelerinin testi ve analizine odaklanmıştır. Dökme malzeme bilimi, dökme malzemelerin fiziksel özelliklerinin belirlenmesine ve bu özelliklerin, dökme malzeme taşıma sistemleri ve bileşenlerinin tasarımındaki çeşitli problemlere uygulanmasına yoğunlaşmış, disiplinler arası bir alandır.
Bilgisayar tabanlı mühendislik ve modelleme sistemleriyle birleştirildiğinde, dökme malzeme bilimi, elektrik santrallerinde kömür taşıma operasyonları için birçok potansiyel iyileştirme sunar. Bunların arasında, akışın yönetilmesine yardımcı olma, darboğazları azaltma, toz, döküntü ve geri taşınan malzemeyi en aza indirme, ekipman ömrünü uzatma ve bakım masraflarını düşürme vardır – bunların hepsi bir tesisin kullanılabilirliğini, verimini ve karlılığını artırır. İlk konveyör tasarlandığından beri, sistemi boyutlandırmak ve güç gereksinimlerini hesaplamak için, dökme yoğunluğu ve yığın açısı gibi dökme malzemelerin temel özellikleri kullanılmıştır.
Modern dökme malzeme biliminin kökleri, çeşitli şartlar altında dökme malzemenin mukavemetine dayanarak kütle akış silolarının kritik boyutlarını belirlemiş Utah Üniversitesi’ndeki çalışmaya kadar uzanır. Bu yöntemler, dökme katıların iç
mukavemetini ve bunlar ile bant veya şut arasındaki sürtünmeyi belirlemek için kullanılır. Bu özellikler dökme katıların davranışını ve silolar ve depolama tanklarından ve daha sonra–artan başarıyla—şutların içinden bantlı konveyörlerin üzerine akışını kestirmek için kullanılır.
Gelişmiş testler ve bilgisayarlı mühendislik artık belirli sistemlerin tasarımlarının, tanımlanan malzemelerle beklendiği tespit üzere iyileştirilmesini mümkün kılıyor. Eğer bir malzeme taşıma sistemi, depolanmakta, taşınmakta veya başka şekilde kontrol edilmekte olan belirli bir dökme malzemenin uygun temel ve gelişmiş
özellikleri belirlenmeden tasarlanırsa, ciddi hatalar yapılabilir.
Standartlar
Dökme katıların birçok özelliği ve testleri, Konveyör Ekipmanı Üreticileri Birliği (CEMA), Standart 550’de özetlenmiştir. Bantlı konveyör sistemlerinin tasarımında en sık (ve bazen yanlış) kullanılan özellikler şunlardır:
Dökme yoğunluğu
Bir malzemenin dökme yoğunluğu, örnek sıkıştırılmış bir durumda olduğunda ölçülmüş hacim birimi başına ağırlıktır (kg/m3 veya lb/ft3). Bu titreşim uygulanmış veya oturmuş yoğunluk, bant üzerinde taşınan malzeme hacmini belirlemek
için dinamik duruş açısıyla birlikte kullanılır.
Gevşek yığın yoğunluğu
Gevşek yığın yoğunluğu, örnek gevşek veya sıkıştırılmamış bir durumdayken ölçülen hacim birimi başına ağırlıktır. Gevşek yığın yoğunluğu, yük bölgesi şutlarını ve yükleme teknelerinin yüksekliğini ve genişliğini tasarlarken veya
malzemenin artan hacmi nedeniyle şut belirtilen tasarım kapasitesini sağlayamayacak olduğunda daima kullanılmalıdır.
Yığın açısı
Dökme malzemeler için yığın açısı, yatay bir çizgi ve serbestçe şekil almış dökme malzeme yığınının tepesinden yığının tabanına kadar olan eğimli çizgi arasındaki açıdır. Belirli bir malzeme için bu yığın açısı, yığının nasıl oluşturulduğunun
yanı sıra, malzemenin yoğunluğu, tane şekli, boyut tutarlılığı ve rutubet içeriğine bağlı olarak değişebilir.
Dinamik duruş açısı
Dinamik duruş açısı, derece cinsinden yataya eğim ile ölçülen, yük kesitinin açısıdır. Dinamik duruş açısı konveyör tasarımında, çeşitli bant genişlikleri için yükün profilini ve teorik taşıma kapasitesini hesaplamak için oluk açılarının belirlenmesinde faydalıdır.
Topak veya tane boyutu
Bir dökme malzemenin boyutu iki şekilde tanımlanır: maksimum topak boyutu veya bir dizi standart elekten (veya kalburdan) geçecek tanelerin yüzdesi. Boyut çoğu zaman maksimum topak genişliği ve eni olarak listelenir. Maksimum 50 x 50 mm (2 x 2 in.) genişlik ve ene sahip topaklı bir malzeme, “50 mm eksi” (veya 2 in. eksi) malzeme olarak tanımlanacaktır.
Bu, en büyük topağın 50 x 50 mm olduğu ve geri kalan tanelerin daha küçük olduğu anlamına gelir. Topağın uzunluğunun genişliğinin üç katına kadar çıkabileceğini veya yukarıdaki örnekte 150 mm (6 in.) uzunluğunda
olduğunu varsaymak yaygın bir uygulamadır.
Bu bilgi, çeşitli bileşenlerin yanı sıra, şut ve yükleme teknelerinin genişliğini ve yüksekliğini boyutlandırmada faydalıdır. Bir elek analizi, dökme katının boyutunun en eksiksiz gösterimini verir. Tane boyutu dağılımı, toplam örneğin parçası olarak her bir boyut aralığında temsil edilen yüzdenin, genellikle belirli bir elek boyutundan geçer ve sonraki daha küçük elek tarafından tutulur şeklinde gösterilen bir tablolamasıdır. Bu bilgi, şutlardaki hava akışının ve asılı tozun oluşma potansiyelinin analiz edilmesinde faydalıdır.
Akış özellikleri
Bir dökme katının temel akış özellikleri, dökme katıyı (bir kesme hücresi kullanarak) kesip, gerekli kuvveti ölçerek elde edilebilir. Rutubet ve basınçla mukavemet değiştiren ve akışı yavaşlatan “tutkal” vazifesi gören kısım olduklarından, genellikle dökme katıdan alınan ince taneler test edilir. Kesme hücresi yöntemi, dökme katı ve bant veya şut yapı malzemeleri arasındaki sürtünmeyi ölçmek için de kullanılır. Konveyörler için önemli şartlar, farklı rutubet içerikleriyle mukavemetteki değişiklik ve birleştirme basınçlarıdır. Farklı rutubet içerikleri ve birleştirme basınçlarında gerçekleştirilen testlerin sayısı nedeniyle, kesme hücresi testleri özellikle zaman alır.
Arayüz sürtünmesi
Şut tasarımında iki sürtünme değeri önemlidir: dökme katı ve şut duvarı arasındaki ve dökme katı ve bant arasındaki sürtünme katsayıları. Dökme katılar, özellikle de ince taneler, yerçekiminden büyük negatif birleştirme kuvvetleri altında dahi, yatay yüzeylere baş aşağı tutunma ve mukavemet sergileme yeteneklerine sahiptir. Negatif birleştirme kuvvetlerinin kesme kuvveti, şut tasarımında adezyon ve kohezyon değerlerinin belirlenmesinde özellikle ilgilidir.
Adezyon
Adezyon, malzemenin, şutlar ve bantlar gibi yüzeylere yapışkanlığı olarak düşünülebilir. Yüzey durumu, rutubet ve (kil gibi) kirlilikler, dökme katıda adhezif gerilme seviyesini etkileyen başlıca değişkenlerdir. Adhezif gerilme, kesme hücresi testlerinden belirlenebilir ve malzemenin yüzeylere yapışma veya tutunma olasılığının belirlenmesinde çok faydalıdır.
Kohezyon
Kohezyon, tanelerin birbirine yapışma yeteneğidir. Bir dökme katıda kohezyonu üç durum etkiler; rutubet içeriği, elektrostatik çekim ve aglomerasyon (birlikte topaklanıp bir kütle oluşturma eğilimi). Kohezif gerilme, kesme hücresi testlerinden belirlenebilir ve dökme katıların nasıl akacağının belirlenmesinde çok faydalıdır.
Test bilgilerini uygulama
Bu deneysel bilgi kesinlikle faydalıdır, fakat malzeme taşıma sistemlerine ve ekipman tasarımına etkileri nelerdir? Malzeme bilimi neyin daha doğru olarak belirlenmesine yardımcı olabilir?
Konveyör kapasitesi
Konveyör kapasitesi (tph), dökme malzemenin yoğunluğu bilindiğinde doğrudan hesaplanan temel tasarım parametrelerinden biridir. Yoğunluk, çelik veya beton gibi katılara atıfta bulunur (tane yoğunluğu). Bununla birlikte, konveyör tasarımında, malzemenin tane yoğunluğunun tipik fraksiyonları olan birçok yoğunluk vardır. Oturmuş yığın yoğunluğu, konveyörün nominal taşıma kapasitesini belirlemek için, bir bandın üzerindeki yükün çapraz kesit alanıyla birlikte kullanılır.
Gevşek yığın yoğunluğu, oturmuş yığın yoğunluğunun yarısı kadar küçük olabilir. Oturmuş yığın yoğunluğu, malzemenin normalde bandın üzerinde taşındığı halidir. Eğer bir konveyör transfer noktası, oturmuş yığın yoğunluğu kullanılarak tasarlanırsa, bir banttan diğerine akan malzeme daha fazla alan kaplayacağından, muhtemelen nominal kapasitesinden daha az bir noktada tıkanacaktır. Bu durumda, tesis, 10 kg sıkıştırılmış malzeme için tasarlanmış bir boşluktan 10 kg gevşek malzeme geçirmeye çalışmaktadır.
Eğer tecrübesiz bir tasarımcı, bir malzemenin yoğunluğu için genel bir mühendis el kitabına bakarsa, burada yazan değer, muhtemelen tane yoğunluğu olacaktır. Parçacıklı bir katı veya tozun tane yoğunluğu veya gerçek yoğunluğu, belirli bir ortamda (genellikle hava) büyük bir toz hacminin ortalama yoğunluğunu ölçen yığın yoğunluğunun aksine, tozu oluşturan tanelerin yoğunluğudur. Tecrübesiz tasarımcı, tane yoğunluğunu kullanarak, konveyörü iki ila üç oranında bir faktörle fazla büyük boyutlandırabilir. Bu hatanın gereksiz maliyetlerde ciddi sonuçları olacaktır.
Şut tasarımı
Şut tasarımı, gevşek yığın yoğunluğuna dayanarak doğru yükün kesit alanını almaktan daha fazlasıdır. Dökme katıların bir şutun içinden güvenilir şekilde akışı, diğer faktörler yanında, dökme katı ve şut duvarları ve aşınma astarları arasındaki sürtünmeye bağlıdır. Eğer sürtünme çok büyükse, malzeme şuttan geçişi sırasında yavaşlayacaktır. Azalan bu akış darboğazlara, birikmelere ve tıkanmalara yol açar. Yeni jenerasyon, tasarlanmış akışlı şutlar, akış yüzeylerine bağlantılı olarak dökme katının özelliklerini bilmeye bağlıdır.
Çoğu zaman, şut açısı için, yığın veya dinamik duruş açısına dayanan bir el kitabı değeri kullanıldığında sonuç olarak ortaya, tıkanmalara yol açan birikmeler çıkar. Örneğin, linyit, paslanmaz çelik üzerinde taş kömüründen önemli oranda daha yüksek sürtünme katsayısına sahiptir, fakat astar ultra yüksek moleküler ağırlıklı (UHMW) polietilen sürtünme katsayıları benzerdir. Taşınan gerçek dökme malzeme ve tasarım için düşünülen gerçek astarın test edilmemesi ciddi akış problemlerine neden olabilir. Kullanılmakta olan spesifik kömür ve paslanmaz çelik veya seramik astar gibi spesifik yapı malzemelerinin testlerinden elde edilen veri kritik önem taşır. Bu veri, malzemenin şutlardan akışının kestirilmesine, bileşenler üzerinde aşınmanın azaltılmasına ve döküntü ve asılı toz gibi kaçak malzemenin kaçışının önlenmesine yardımcı olacaktır.
Bant temizliği
Bir dökme katının özellikleri, operasyonun karşılaşacağı bant temizleme güçlüğünün tabiatını kestirmek amacıyla yalnızca genel bir rehber olarak kullanılabilir. Geri taşınan malzemenin özelliklerini test ederek, tahliye noktasını geçtikten sonra banda ne kadar ince tanenin yapışacağına ve şartlardaki değişikliklerin—sağanak yağmur nedeniyle rutubet seviyesinde artış gibi—geri taşınan seviyelerini ve temizleme performansını nasıl etkilediğine dair tahminler yapılabilir. Dökme katıları test etmek için kullanılan ince taneler, ortalama geri taşınan malzeme tanesinden 2000 kat daha büyüktür. Fiziksel özelliklerin, yüzey gerilimiyle ve mikro düzeyde nükleer kuvvetlerle, genellikle dökme katı akışını test etmek için kullanılan tanelerden daha bağlantılı olduğu durumlarda, geri taşınan malzeme toz gibi davranır.
Dökme malzemelerdeki gerilimleri çoğunlukla, mekanik kilitleme ve makro bir düzeyde daha büyük tanelerin yüzey rutubeti oluşturur. Dökme katı özelliklerinin geri taşınan malzemeye uygulanması, tahmin edilen geri taşınan malzeme seviyelerini ve temizleme performansını önemli oranda hafife alabilir. Geri taşınan malzeme boyutundaki tanelerin adezyonu ve kohezyonu bu tahminde kullanılan önemli özelliklerdir. Malzemenin–adezyonunun ve kohezyonunun sert bir şekilde değiştiği—kritik rutubet içeriğini bilmek, bir tasarımcının, geri taşınan malzemenin mukavemetini azaltmak veya bandı yıkamak için gerekli su miktarını hesaplamasına izin verir.
Güvenlik
Bir dökme katının özellikleri için test edilmesi, tasarımcının dökme katılar için güvenli depolama ve taşıma geliştirmesine imkan verir. Örneğin, akan dökme katılar silolarda eşit olmayan duvar basınçları oluşturabilir. Belirli malzemeleri depolama ve taşıma için beklenen koşullarda test etmeden, tasarımcı, ilgili kuvvetleri yalnızca tahmin etmektedir.
Bir işçinin, şuttaki birikmeleri temizlemeye çalışırken düşen malzemeden yaralandığı birçok durum olabilir. Konveyörleri tasarlamak için tipik veya ortalama değerler kullanarak tasarlanmış sistemler, daha az katastrofik, fakat verimliliğe bir o kadar zarar vericidir. Malzeme özellikleri hakkında spesifik bilgi sahibi olmadan tasarlanan birçok konveyör, tasarım kapasitesini sağlamada başarısız olmuştur.
Malzeme testinin faydası–veya sonucu: Bir örnek
Çok sayıda kömür türü, çok farklı karakteristiklere sahip olabilir. CEMA 550-2003 yayını Dökme Malzeme Sınıflandırmaları ve Tanımları, kömür için 0,5 in.(12,7 mm) eksi antrasitten ROM bitümlüye kadar kömür için dokuz adet sınıflandırma listeliyor. Bu başvuru kaynağı, 45 – 60 lb/ft3 arasını çeşitli kömürler için gevşek yığın yoğunlukları olarak ve 20 – 30˚ arasını dinamik duruş açıları olarak listeliyor.
CEMA’nın Dökme Malzemeler için Bantlı Konveyörler yayınının 6. baskısı, oluk açısına ve dinamik duruş açısına dayanarak bir konveyörün kapasitesini hesaplamak için detaylı denklemler verir. Temel malzeme verisinin değerini göstermek için, yayınlanan listenin her iki ucundan iki farklı kömürün değerleri kullanılarak bulunan en kesit alanları karşılaştırılabilir.
Verilen değerler
• Gevşek yığın yoğunluğu: 45 – 60 lb/ft3 (720 – 960
kg/m3).
• Yığın açısı: 30 – 40˚.
• Dinamik duruş açısı: 20 – 30˚.
• Bant genişliği: 48 in. (1200 mm).
• Oluk açısı: 35˚.
• Kenar mesafesi: standart CEMA kenar mesafesi.
• Bant hızı: 500 fpm (2,5 m/sn).
Yayın, kesit alanlarını belirtir:
• 20˚ dinamik duruş açısı: 1.804 ft2 (0,168 m3).
• 30˚ dinamik duruş açısı: 2.100 ft2 (0,195 m3).
Bu nedenle, konveyörün malzeme/ft miktarı aralığı:
• Çapraz kesit alanı x gevşek yığın yoğunluğu/ft3x bant ft
Bu örnekte 81,2 – 126 lb/ft (1,804 ft2 x 45 lb/ft3 x1 ft ila 2,1 ft2 x 60 lb/ft3 x 1 ft) değerinde bir aralık
vardır. 500 ft/dakikada taşınan malzeme miktarı, daha sonra 1218 – 1890 tph (81.2 lb/ft x 500 ft/dakika x 60 dk/s/2000 lb/t ila 126 lb/ft x 500 ft/dakika x 60 dk/s/2000 lb/t) arasında değişir.
Örneğin özeti
Gevşek yığın yoğunluğu ve dinamik duruş açısı arasındaki farklar, konveyör kapasitesinde 600 tph’den fazla bir açık verir. Bu hata, kömür taşıma sisteminin üretim hızını gerçekleştirme yeteneği üzerine büyük bir etkiye sahip olacak, dolayısıyla tüm tesisin işletme hedeflerini gerçekleştirme yeteneğini engelleyecektir.
Eğer bu tesis günlük silolarını veya kömür bunkerlerini doldurmak için 1800 tph’ye güvenir ve sistemden yalnızca 1200 tph alırsa, tesisin konveyörlerini daha uzun bir programda çalıştırması, hem personel hem de ekipman için saatleri artırması veya elektrik üretme kapasitesini aşağı çekmesi gerekecektir.
Tüm bunlar ne anlama geliyor?
Tipi veya sınıflandırmaları ne olursa olsun, iki dökme malzeme asla aynı değildir. Dökme malzeme taşıma sistemlerinin doğru tasarımı için dökme katının fiziksel testinin bu kadar önemli olmasının ana sebebi budur. Test maliyeti, bir malzeme taşıma sisteminin genel maliyetinin küçük bir parçasıdır. Bu veriye sahip olmak, gelecekte prosesler veya hammaddeler değiştiğinde konveyörde sorun gidermek için en önemli araçlardan biridir.
Eğer mevcut bir malzeme taşıma sistemi şu anda çalışıyorsa, malzeme aynı kaldığı sürece çalışmaya devam etmeli ve ekipman, performansını değiştiren herhangi bir aşınma veya hatalı kullanmaya maruz kalmamalıdır. Fakat malzemedeki değişiklikler—kaynaktaki değişiklikler veya yağmur nedeniyle artan rutubet veya proses veya ekipmanda daha fazla malzeme taşımak için bantların hızının artırılması veya şutun içindeki astarın değiştirilmesi gibi değişiklikler—kömür taşıma sisteminin performansı üzerinde büyük sonuçlar doğurabilir.
Ayrıca bir malzeme taşıma sistemi tasarlanırken, ister sıfırdan tasarlansın ister büyük oranda yeniden inşa edilsin, gerekli genel performansı elde etmek ve maksimum yatırım getirisi elde etmek için taşıyacağı malzemelerin dikkatle test edilmesi gerekir.
Bu makale World Coal dergisinin Ocak 2012 tarihli sayısından alınmıştır.
