Klinker İncelemelerinde Optik Mikroskop ve Görüntü İşleme Tekniklerinin Kullanılması *

Transkript

1 İMO Teknik Dergi, , Yazı 247 Klinker İncelemelerinde Optik Mikroskop ve Görüntü İşleme Tekniklerinin Kullanılması * urak FELEKOĞLU Diyal GÜLLÜ ÖZ Klinker özellikleri çimento kalitesini etkileyen en önemli faktörlerden birisidir. Klinkerin yapısı, hammadde özelliklerinden ve fırın koşullarından doğrudan etkilenmektedir. İyi sinterleşmiş, porozite ve faz dağılımı homojen, iri gözenek içermeyen, faz kristallerinin irileşmediği bir klinker yapısı kaliteli çimento üretiminin anahtarıdır. u çalışmada klinker kalitesinin belirlenmesinde optik mikroskop inceleme ve görüntü işleme teknikleri kullanılmıştır. İstatistiksel açıdan anlamlı örneklemeyle klinker kesitinde alansal faz ve porozite dağılımı belirlenmeye çalışılmıştır. Sonuçta kullanılan yöntemin klinker faz ve porozite dağılımının tespitinde üreticiye sağladığı avantaj ve dezavantajlar ortaya konulmuştur. yrıca yöntemin geliştirilmesine yönelik öneriler sunulmuştur. STRCT The Use of Optical Microscope and Image Processing Techniques for Clinker Investigations The properties of clinker is one of the most important factors affecting the cement quality. The structure of clinker is directly influenced by raw material properties and furnace conditions. clinker structure that is well sintered, containing homogeneous porosity and phase distribution, not containing large pores and large phase crystals is the key of producing high quality cement. In this study, optical microscopic investigations and image processing techniques are used to determine the clinker quality. y statistically adequate sampling, phase and porosity distributions at clinker cross-section are determined. In conclusion the advantages and disadvantages of the proposed method are put forward from the view point of determination of clinker phase and porosity distribution. esides, suggestions to improve the related method are presented. Not: u yazı - Yayın Kurulu na günü ulaşmıştır Mart 2006 gününe kadar tartışmaya açıktır. * Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği ölümü, İzmir burak.felekoglu@deu.edu.tr ** Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği ölümü, İzmir

2 Klinker İncelemelerinde Optik Mikroskop ve Görüntü İşleme Tekniklerinin Kullanılması 1. GİRİŞ Kaliteli çimento üretimi için öncelikle kaliteli klinkerin oluşması gerekir. Klinkerin özelliklerini hamkarışım faktörleri (hamkarışım minerolojik ve kimyasal bileşimi, granülometrisi, akışkanlaştırıcı ve mineralizatör gibi katkı maddeleri v.d.) ve fırın koşulları (fırın atmosferi, yakıt tipleri, sinterleme sıcaklığı ve süresi, ısıtma ve soğutma hızı, fırın sistemleri v.d.) etkiler [1]. u derece çok faktörün etkilediği klinker kalitesinin belirlenmesinde farklı yöntemler kullanılır. Kimyasal analizlerden elde edilen verilerle kireç doygunluk faktörleri ve modüller hesaplanır. u değerler klinkerin kalitesi hakkında bilgi verir. Kimyasal bileşenler ile ogue denklemleri kullanılarak potansiyel faz miktarları hesaplanır. u hesaplamaların ön koşulu klinker eriyiğinin katı fazlar ile dengede kristalleşmesidir, bu durum pratikte gerçekleşmez. Stoikiometrik fazlar, saf C 3 S (alit), C 2 S (belit), C 3 ve C 4 F fazlarıdır. Pratikte ise yabancı iyonlar klinker fazlarının içine girerler. Gerçek alit miktarları ogue denklemleri ile hesaplanan değerlerden daha yüksek, buna karşılık belit miktarları daha düşüktür. Gerçek alüminat ve ferrit miktarları genel olarak küçük oranlarda değişir. Tüm bu hata paylarına rağmen hesaplanan değerler klinker faz dağılımının belirlenmesi amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır [2]. Gelişen bilgisayar teknolojisi ile birlikte çimento üretiminde çimento ve klinker kalite kontrolünü tam otomatik olarak gerçekleştirebilen cihazlar üretilmiştir [3]. u cihazlar XRD analizleri ile faz kompozisyonlarını kısa sürede ve düşük hata payları ile vermektedir [4]. u yöntemler pratikte otomasyona geçmiş çimento fabrikaları için çok yararlı olmalarına karşın klinker fazlarının kristal yapısı ve morfolojisi, boyut dağılımı ve klinker porozitesi gibi bazı parametreleri ortaya koyamamaktadır. Örneğin katı eriyiklerden C 3 fazı oranı aynı olan iki farkı klinker örneğinde C 3 kristallerinin boyut dağılımı bu fazın reaktifliğini önemli ölçüde etkileyebilmektedir. ncak XRD analizinde aynı miktar C 3 içerdiği görülen bu klinkerlerin teorik olarak birbirinden farksız olduğu düşünülebilir [5]. ir diğer örnek porozite dağılımı ile ilgili olarak verilebilir. Poroziteyi oluşturan boşluklar biribirnden bağımsız ise fırındaki sinterlenmenin yeterli, boşluklar birbiri ile bağlantılı ise sinterlenmenin yetersiz olduğu söylenebilir [1-2]. Mikroskopik araştırmalarda klinker fazlarının oluşumu, boyutu, dağılımı ve incelenen kesit alanındaki miktarı belirlenebilir. Klinker parlak kesitlerinde dağlanmamış olarak klinker fazlarının ayırt edilmesi mümkün değildir (Şekil 1). Dağlama ile (örneğin etil alkol içinde %1 HNO 3 çözeltisi) silikat kristalleri belirginleşir (Şekil 2). Her klinker fazı farklı dağlama kimyasalı ile belirginleşmektedir. Klinkerler farklı kimyasal çözeltileri ile dağlanma yanında, titrasyon ve buhar difüzyonu ile işleme sokulup farklı fazları ortaya çıkarılabilir [2,5,6]. ynı zamanda optik mikroskop incelemeleri, porozite, gözeneklerin büyüklüğü ve şekli sinterleşme koşulları hakkında bilgi verir. ncak istatistiksel açıdan anlamlı bir sonuç elde edebilmek için çok sayıda noktadan veri alınması gerekir. u da ancak görüntü işleme programları kullanılarak mümkün olabilir. Görüntü işleme programları kullanılarak hızlı faz analizi yapmanın yanında fazların kristal özellikleri hakkında da bilgi elde edilebilir [7]. u çalışmada klinker faz dağılımı ve porozitesinin belirlenmesi için alternatif bir yöntem önerilmiştir. u yöntemde optik mikroskopta yapılan klinker incelemeleri bir görüntü işleme programı yardımıyla sayısallaştırılmış ve istatistiksel olarak anlamlı sayıda örnekleme yapılarak klinkerin toplam kalitesi hakkında yorumlar yapılmıştır. Klinker fazlarının ve porozitelerin büyüklüğü, sayısı, ortalama eşdeğer çapı, görüntülenen alan içindeki dağılımı da ayrıca görüntü işleme programları yardımıyla incelenebilir. ncak sözü edilen incelemeler bu çalışmanın kapsamı dışında tutulmuştur. 3762

3 urak FELEKOĞLU, Diyal GÜLLÜ Şekil 1. Dağlanmamış çimento klinkeri optik mikroskop görüntüsü (50 kat büyütmeli) Şekil 2. Nitrik asitle (etil alkol içinde %1 HNO 3 çözeltisi) dağlanmış çimento klinkeri optik mikroskop görüntüsü (50 kat büyütmeli : lit kristalleri, : elit kristalleri) 5 µm Elde edilen veriler aynı klinkerin kimyasal analizle belirlenen basit oksit değerleri ogue formülünde yerine konularak belirlenen faz oranları ile karşılaştırılmıştır. 3763

4 Klinker İncelemelerinde Optik Mikroskop ve Görüntü İşleme Tekniklerinin Kullanılması 2. DENEYSEL ÇLIŞM VE YÖNTEM 2.1. Klinker parlak kesitinin hazırlanması, dağlama işlemi ve optik mikroskop inceleme yöntemi Klinkerin mikroskopta araştırılması için parlak kesit hazırlanmıştır. Söke çimento fabrikası döner fırın çıkışından temin edilen küreye yakın bir hacme sahip klinker ortadan ikiye kesildikten sonra etüvde tamamen kurutulmuş ve kesilen yüz açıkta kalacak şekilde bakalit ile kalıplanıp yüzeysel zımpara işlemine tabi tutulmuştur (Şekil 3). Yüzeysel zımpara işleminde farklı tane boyutlarında silikon karbit kaplı zımpara kağıtları ve etil alkol kullanılmıştır. Kullanılan zımpara kağıdı numaraları sırasıyla 220, 400, 600, 800, 1000 ve 1200 dür. Zımparalama işleminden sonra Şekil 4 te görüldüğü gibi elmas pasta ile numune yüzeyi 15 µm ye kadar parlatılarak optik mikroskop incelemelerine hazır hale getirilmiştir [8]. Hazırlanan klinker parlak kesit numunesi etil alkol içinde %1 HNO 3 çözeltisi kullanılarak dağlanmıştır. Dağlama işlemiyle alit ve belit fazlarının renk ve geometrilerinin belirginleşmesi sağlanmıştır. Nitrik asit çözeltisinde dağlama yapıldığında alit ve belit fazları belirginleşmekte ayrıca ara fazlar bir bütün olarak ortaya çıkmaktadır, ancak ara fazların kendi arasındaki dağılımı nitrik asit dağlaması ile belirlenememektedir. u nedenle arafazların birbirinden ayırt edilebilmesi için faklı kimyasallarla dağlama yapılması gerekir. Şekil 3. Numunenin bakalite alınması (sol) ve zımparalama işlemi (sağ) Şekil 4. Elmas pasta ile yüzey parlatma işlemi Dağlanan klinker Şekil 5 de görüldüğü gibi 8 bölgeye ayrılmış ve her bölgeden en az 3 noktanın mikro fotoğrafı 50 kat büyütmeli optik mikroskop fotoğraf makinası kullanılarak çekilmiştir. Her alanda çekilen fotoğraflar o alandaki faz ve porozite dağılımı hakkında bilgi vermektedir. 3764

5 urak FELEKOĞLU, Diyal GÜLLÜ 2.2. Optik mikroskop incelemeleri Fazların ve boşluğun renk dağılımının belirlenmesi Optik mikroskop incelemelerinde DEÜ Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği ölümü laboratuvarında bulunan Nikon marka Eclipse ME600 model, 1000 kata kadar büyütme yapabilen bir polarizan optik mikroskop kullanılmıştır. Mikro fotoğraflar, optik mikroskop üzerine monte edilmiş, JVC marka RG TK 1070E Model dijital fotoğraf makinesi ile çekilmiştir (Şekil 6). Numuneden alınan fotoğrafların incelenmesinde Lucy (Version 4.51 uild 028) görüntü işleme programı kullanılmıştır. u programda çekilen fotoğraflardan alit, belit ve arafazlarının renk grupları ve boşluğu temsil eden renk grubu belirlenmiştir. elirlenen renk skala aralıkları Çizelge 1 de verilmiştir. Renk grup dağılımının belirlenmesinde optik mikroskop çekimlerinde kullanılan ışık şiddetinin sabit kalmasına ( 0.76 lumen) dikkat edilmiş ve tüm fotoğraflar aynı zamanda çekilmiştir. 4 mm 4 mm 4 mm I II III IV V VI VII VIII 4 mm 4 mm 4 mm Şekil 5. Parlak kesit numunesinin fotoğraf çekiminde kullanılan bölgeleme yöntemi ve kodları (beyaz kısım klinkeri, gri kısım bakaliti temsil etmektedir.) Faz ve porozite alanlarının ölçümü Şekil 5 te görülen her alandan rastgele en az üç nokta belirlenerek 50 kat büyütmeli optik mikroskop fotoğrafları çekilmiştir. ölüm de belirlenen faz ve porozite renk dağılımları kullanılarak çekilen her mikro fotoğraf için alit, belit, ara faz ve porozite alanlarının toplam görüntü alanına oranları Lucy görüntü işleme programı kullanılarak belirlenmiştir (Çizelge 2). Tüm alanlar için ayrı ayrı faz ve porozite dağılımlarının ortalama, standart ve değişkenlik katsayısı değerleri hesaplanmıştır. I, II, III, VI ve VIII. ölgelerde alan içine bakalit de girmiştir. u bakalit alanı hesaplamalar yapılırken ihmal edilmiştir. 3765

6 Klinker İncelemelerinde Optik Mikroskop ve Görüntü İşleme Tekniklerinin Kullanılması Çizelge 1. Fazların ve boşluğun renk grubu aralıkları (Işık şiddeti= 0.76 lumen) lit (C 3 S) elit (C 2 S) ra faz (C 3, Porozite C 4 F) na renk lt Üst lt Üst lt Üst lt Üst Kırmızı Yeşil Mavi Şekil 6. Optik mikroskop inceleme ve fotoğraf çekiminde kullanılan cihaz 2.2. XRF analizleri ve ogue formüllerine göre faz kompozisyonları Çizelge 3 de kullanılan klinkerin kimyasal analizle belirlenen basit oksit değerleri görülmektedir. Çizelge 4 de ise bu oranlara göre ogue formüllerinden elde edilen faz oranları verilmiştir. 3. DEĞERLENDİRME ve TRTIŞM Optik mikroskop fotoğraflarının görüntü işleme programında sayısallaştırılması ile elde edilen veriler ışığında klinkerin bölgesel faz ve porozite dağılımı ortaya konulmuştur. İncelenen 8 alanın tamamında ortalama alit oranı %25.6, belit oranı %18.5, ara faz oranı %3 ve porozite oranı %52.1 olarak belirlemiştir. Faz ve porozitelerin değişkenlik katsayıları ise sırasıyla %12.2, %13.8, %23.4 ve %8.3 tür. Şekil 7 de klinkerin incelenen her alanındaki faz ve porozite oranları verilmiştir. Klinker bölgesel olarak incelendiğinde alansal olarak en fazla alit içeren bölgeler III (%30.7) ve VI (%28.58) olarak tespit edilmiştir. elit açısından bakıldığında I (%21.38), III (%20.3) ve VI (%21.83) bölgelerinde belit fazının yüksek olduğu saptanmıştır. Öte yandan porozite dağılımında I (%48.85), III (%47.4) ve VI (%46.18) bölgelerinin %50 nin altında porozite içerdikleri gözlenmiştir. Porozitenin fazla olması klinkerin öğütülebilirliğini kolaylaştırır ancak öte yandan sinterleşmede sorun olduğuna ve faz kristallerinin kalitesiz olduğuna bir işarettir. u açıdan klinker porozitesinin minimizasyonu hedeflenmelidir. Porozitenin ve faz kristallerinin alan içindeki dağılımı ve porozite ve faz kristali çapları bu çalışmanın kapsamı dışında olduğu için incelenmemiştir. Yazarlar [9] devam eden çalışmalarında bu konularda araştırmalar yapmaktadır. 3766

7 lan Nokta lit urak FELEKOĞLU, Diyal GÜLLÜ Çizelge 2. Tüm alanlarda faz ve porozitenin alansal dağılımı elit ra faz Porozite lan Nokta lit elit ra faz Porozite I V ort ort II VI ort ort III VII ort ort IV VIII ort ort Çizelge 3. Kullanılan klinkerin kimyasal analizle belirlenen basit oksit değerleri CaO SiO 2 l 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO Na 2 O K 2 O SO 3 Kızdırma kaybı Çözünmeyen Kalıntı Çizelge 4. ogue formüllerine göre faz oranları C 3 S C 2 S C 3 C 4 F Kimyasal analizle belirlenen basit oksit değerleri kullanılarak ogue formüllerinden elde edilen faz oranları, klinker incelemelerinden elde edilen faz oranları ve porozite hariç tutulan klinker incelemelerinden elde edilen faz oranları Şekil 8 de bir arada görülmektedir. Şekil 8 incelenecek olursa, klinkerdeki belit miktarı bir Portland çimentosu klinkeri için makul değerde gözükmekle birlikte alit miktarı düşüktür. Normalde %50 civarında olması gereken C 3 S miktarı %25.6 olarak belirlenmiştir. ncak bu durum beklenmektedir, çünkü yüzeysel analizde incelenen alanın %52.1 ini porozite oluşturmaktadır. 3767

8 Klinker İncelemelerinde Optik Mikroskop ve Görüntü İşleme Tekniklerinin Kullanılması 100% 80% lansal oran 60% 40% 20% 0% I II III IV V VI VII VIII genel ort lit elit ra faz Porozite Şekil 7. İncelenen klinker kesitinde faz ve porozitenin bölgesel olarak alansal dağılımı 100% alit belit ara faz porozite 80% faz oranları 60% 40% 20% 0% görüntü işleme programı ile görüntü işleme programı ile (porozite hariç) ogue Formüllerine göre Şekil 8. Farklı yöntemlerle elde edilen faz oranları Porozite göz önüne alınmazda bu kez C 3 S miktarı makul bir değere (%53.5) ulaşmaktadır. ncak C 2 S miktarı oldukça yüksek (%38.6) ve ara faz değeri oldukça düşük değerler almaktadır. ogue formüllerinden elde edilen faz oranları incelendiğinde C 3 S ve ara faz miktarının porozite göz önüne alınmadan yapılan görüntü işleme yöntemi ile elde edilen değerlerden daha yüksek, C 2 S miktarının ise daha düşük olduğu görülmüştür. Klinker kalite kontrol sürecinde optik mikroskop ve görüntü işleme programlarının bir arada kullanımı ile şu avantajlar sağlanabilir: 1. Klinker boşluk oranı belirlenerek sinterleşmenin yeteri kadar gerçekleşip gerçekleşmediği belirlenebilir ve yöntem üretim sürecinde sorunun kaynağının bulunmasında kullanılabilir. 3768

9 urak FELEKOĞLU, Diyal GÜLLÜ 2. Klinker fazlarının hesabında kimyasal analizle belirlenen basit oksit değerlerinin kullanıldığı ogue formülleri kullanılmaktadır. Görüntü işleme yöntemleriyle fazların miktarlarının yanında kristal yapısı, boyut dağılımı gibi parametreler de elde edilebilir. 3. Görüntü işleme yöntemleriyle porozite dağılımı belirlenerek fırın sinterleme sıcaklığı ve süresi ile ilgili optimizasyon yapılabilir. 4. Klinkerin öğütülebilirliği porozite, fazların oran ve tane boyut dağılımına bağlıdır. u yüzden öğütülebilirlik optimizasyonunda görüntü işleme yöntemleri kullanılabilir. Öte yandan optik mikroskop ve görüntü işleme programlarının kullanımında bazı eksiklikler dezavantaj olarak gösterilebilir: 1. Örneklemenin tüm ürünü temsil edebilmesi gerekir. ncak bu tam olarak bir dezavantaj sayılamaz çünkü kimyasal analizde de bu durum söz konusudur. 2. Optik mikroskop fotoğraf çekimlerinde kullanılan ışık şiddeti renk parlaklığını ve tonunu değiştirmektedir. u sorun optik mikroskopta hep aynı ışık şiddeti ayarlanarak çekim yapılarak çözülebilir. Faz ve porozite renk dağılım skalası tespit edilirken de ışık şiddeti aynı olmalıdır. Işık şiddetinin değiştrilmesi durumunda fazlar ve porozite için renk dağılım skalası yeniden kalibre edilmelidir. 3. Dağlama işleminden sonra geçen süre faz kristallerinin renk ve parlaklığını bir miktar değiştirmektedir. u nedenle optik mikroskop fotoğrafları dağlamadan belirli bir süre sonra çekilmelidir. Her çekim öncesi yüzeyin alkolle yıkanması faz kristallerinin renklerinin açığa çıkması için önerilebilir. 4. lit ve belit kristallerinin renkleri kolaylıkla ayırt edilmesine rağmen ara faz ve boşluk renkleri (özellikle koyu grinin tonları) bazı durumlarda birbirine karışmaktadır. Yazarlar bu sorunun çözümü üzerinde çalışmaktadır [9]. 5. Optik mikroskop incelemeleri enkesitte yapılmaktadır. Üç boyutlu bir inceleme yapmak için klinkerin dilimlenerek farklı kesitlerinin incelenmesi tavsiye edilebilir. ncak bu prosedür yöntemin pratikliğini azaltacaktır. 4. SONUÇLR Optik mikroskop incelemeleri ve görüntü işleme teknikleri birlikte kullanılarak klinker kalitesi hakkında bilgi elde edilebilir. Klinker kesitinde faz ve porozite oranları alansal olarak tespit edilebilir. Yöntem belirli kurallara özenle uyularak kullanıldığında sağlıklı sonuçlar verebilir. ncak kullanılan yöntem henüz gelişme aşamasındadır ve yapılacak araştırmalarla geliştirilmesi gerekmektedir. Kaynaklar [1] ltun İ.., Fırın Sistemlerinin Klinkerlerin Mikroyapılarına Etkileri, Çimento ve eton Dünyası, V.3, 33-41, [2] ltun İ.., Klinker Kalite Kontrolünde Mikroskopik Kriterler, Çimento ve eton Dünyası, V.2, 22-32, [3] Manias C., Retallack D., Madsen I., Plant Optimization and Control Using Continuous On-line XRD for Mineral Phase nalysis, ZKG Magazine, pril 200, 14pp. [4] Stutzman P.E., Leigh S., Compositional nalysis of NIST Reference Material Clinker 8486, Proceedings of 21. International Conference on Cement Microscopy, pril 29- May 4, Montreal, Quebec, Canada, pp.,

10 Klinker İncelemelerinde Optik Mikroskop ve Görüntü İşleme Tekniklerinin Kullanılması [5] Stutzman P.E., Leigh S., Phase Composition nalysis of the NIST Reference Clinkers by Optical Microscope and X-ray Powder Diffraction, US Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology, NIST Technical Note 1441, September 2002, 44pp. [6] Smrcok L., Pritula O., Tobbens D., Quantitative Phase nalysis of Portland Clinkers and the Products of Their Chemical Decomposition, ENSC Experimental Report MT (2003). [7] Theisen K., Smidth F.L., Quantitative Determination of Clinker Phases and Pore Structure Using Image nalysis, World Cement Research and Development, ugust 1997, 8pp. [8] 1. Uygulamalı Temel Metalografi Kursu, Kurs Notları, 4-5 Kasım 1999, ursa, METKON Endüstriyel Cihaz San. Ve Tic. Ltd. Şti., 44s. [9] Güllü D., Çimento Klinker Fazlarının Mikro Yapısı ve Klinker Öğütme Parametreleri rasındaki İlişkilerin raştırılması, DEÜ Fen ilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, deneysel çalışmalar devam ediyor. 3770