5 Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 9), 13-15 Mayıs 29, Karabük, Türkiye SOĞUKTA SERTLEŞEN KOMPOZİT PELETLERİN MUKAVEMETİNE BAĞLAYICI TÜRÜNÜN ETKİSİNİN İNCELENMESİ INVESTIGATION OF THE EFFECT OF BINDER TYPE ON THE STRENGTH OF COLD BONDED COMPOSITE PELLETS B BİROL a, Y E BENKLİ b, M BOYRAZLI c, M NSARIDEDE a a, * Yıldız Teknik Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Müh Bölümü, İstanbul, Türkiye E-Posta:bbirol@yildizedutr *, saridede@yildizedutr * ; b Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Müh Bölümü, Erzurum, Türkiye E-Posta:boyrazli@gmailcom c Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Müh Bölümü, Elazığ, Türkiye E-Posta:yebenkli@yildizedutr Özet Soğuk bağlı kompozit peletlerin özelliği hammaddelerin soğukta sertleşen bir bağlayıcı ve kömürle karıştırılarak peletlenmesidir Klasik peletlerde kullanılan bağlayıcı bentonitin dışında, pişirme kademesine gerek kalmadan pelete yeterli mukavemeti kazandıran bağlayıcılar sayesinde pelet maliyeti düşmekte ve işlem süresi kısalmaktadır Bu çalışmada, Divriği manyetit konsantresi, kok ve farklı özellikte bağlayıcılar kullanılarak elde edilen kompozit peletlerin basma dayanımları üzerine bağlayıcı türünün etkileri araştırılmıştır Farklı oranlarda kullanılan bu bağlayıcılar; fenolik reçineler grubundan toz Novalak reçine, kalsiyum oksit, kolloidal silika, sodyum karboksi metil selüloz (CMC) ve maltodekstrindir Soğukta sertleşen kompozit peletler için literatürde tavsiye edilen basma dayanımı değeri 25-3N/pelet olup, elde edilen sonuçlar bu değere göre yorumlanmıştır Novalak reçine %3 oranında kullanıldığında ve peletler 18 dakika kurutulduğunda 253 N/pelet basma dayanımı; CaO %5 oranında ilave edilip yaş peletler 21 dakika kurutulduğunda 3 N/pelet lik basma dayanımı elde edilmiştir %2 maltodekstrin ilaveli peletlerde dayanım 235 N/pelet civarında iken %2 CMC ilaveli peletlerde 353 N/pelet dayanımına ulaşılmıştır Bu değerler tavsiye edilen değerlere uymakla beraber, daha dar aralıklarda yapılacak bir optimizasyon çalışması ile ideal şartlar tespit edilebilecektir Koloidal silika ise sıvı bir bağlayıcı olup, bununla elde edilen mukavemet değerleri yetersiz olduğundan kullanıma uygun olmadığı tespit edilmiştir Anahtar kelimeler: Soğukta sertleşen kompozit pelet, Bağlayıcı, Kurutma, Basma dayanımı, Abstract The characteristic of the composite pellets is the pelletizing of the raw materials by mixing with a binder which gives strength in room temperature and coal With the exception of bentonite, used as binder in classical pellets, pellet cost and process length can be reduced by using the binders that give the pellet adequate strength without the necessity of firing In this study, the effects of binder on compressive strength of cold bonded composite pellets that produced by Divriği magnetite concentrate, coke and various binders have been investigated The binders used in different ratios are novalac resin (phenolic resin), calcium oxide, colloidal silica, sodium carboxyl methyl cellulose (CMC), and maltodextrin The results have been commented according to the recommended compressive strengths of the cold bonded composite pellets given in the literature as 25-3 N/pellet Adequate strength values are obtained from the pellets containing 3% novalac resin which gives the strength of 253 N/pellet after drying for 18 minutes; and containing 5% CaO pellets which gives the strength of 3 N/pellet after drying for 21 minutes The compressive strengths of 235 N/pellet and 353 N/pellet were attained from 2% maltodextrin and 2% CMC containing pellets Although these values are suitable for the recommended ones, optimal conditions should be determined by a minor optimization Colloidal silica is a liquid binder and the strength value which was obtained from it was inadequate Thus it is not suitable for use as a binder in composite pellet production Keywords: Cold Bonded Composite Pellet, Binder, Drying, Compressive Strength 1 Giriş Demir cevherlerinin peletlenmesinde yaygın olarak kullanılan bağlayıcı türü bentonit olsa da bununla rekabet edebilecek hem organik hem de inorganik birçok bağlayıcı türü bulunmaktadır Demir cevheri peletleme işlemlerinde kullanılan malzemelerde dikkate alınan husus yüksek kalitede ve düşük maliyette pelet üretilebilmesi olup, aynı zamanda minimum kirletici özelliği olan ve minimum proses güçlüğü ile çalışılabilen bağlayıcılardır Orijinal bentonitlerin adsorbsiyon kapasiteleri, aktif karbon gibi yapay adsorplayıcılarla karşılaştırıldığında daha düşüktür Direkt redüksiyon için hazırlanan peletlerde bentonitin bağlayıcı olarak kullanılması durumunda, peletlerin direkt redüksiyon şartlarının gerçekleştirilmesi için ya oksidasyon kavurmasına ya da ön ısıtma işlemine tabi tutulmaları gerekmektedir [1, 2, 3, 4] IATS 9, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Birol B, Benkli Y E, Boyrazlı M ve Sarıdede M N Üretilen peletlerin sinterlenmesi basamağı cevher peletleme aşamasının en fazla enerji gerektiren ve en pahalı aşamasıdır Pelet pişirme maliyetinin çok yüksek olması soğukta sertleşen pelet üretiminin geliştirilmesi zorunluluğunu ortaya çıkarmıştır Çok daha düşük sıcaklıklarda sertleştirme işlemlerinin yapıldığı prosesler geliştirilerek peletleme maliyetinin düşürülmesine çalışılmaktadır Soğuk bağlı peletler için en büyük potansiyel çimentolu bağlayıcılar olarak bilinse de daha farklı bağlayıcılar üzerindeki çalışmalar hala devam etmektedir [4, 5, 6] Bentonitin içerdiği empüriteler konsantrenin gang içeriğinin artmasına dolayısıyla da demir içeriğinin azalmasına neden olur Bentonite nazaran organik kökenli bağlayıcılar hem ürünü kirletmezler hem de bentonitin, yüksek sıcaklıklarda yapılan işlemler neticesinde pelete kazandırdığı özellikleri düşük sıcaklıklarda kazandırabilirler Kompozit pelet terimi genellikle ince demir oksit ve karbonlu madde (kömür, kok, odun kömürü) içeren peletler için kullanılır Bunlar, taşınması için yeterli mukavemet oda sıcaklığı veya civarında kazandırılmış peletlerdir Aynı zamanda bu peletler yüksek sıcaklıkta ve redüksiyon sırasında oluşacak gerilimlere karşı dayanabilecek mukavemete de sahip olmalıdır Soğuk bağlı kompozit pelet üretiminin ana prensibi hammaddelerin soğukta sertleşen bir bağlayıcıyla karıştırılarak peletlenmesidir [7] Döner hazneli fırınlarda yüksekliği çok az pelet katmanları kullanıldığı için peletin üzerine minimum yük binmektedir Bu yüzden peletlerin soğuk bağlı olmalarına gerek yoktur Ancak ticari boyuttaki bir üretim tesisinde taşıma gibi işlemlerde nispeten düşük bir basma mukavemeti gerektirmektedir İstenen bu mukavemetin de yaklaşık olarak 25 3 N/pelet olduğu belirlenmiştir [7, 9] Bu çalışmada farklı bağlayıcıların çeşitli miktar ve kurutma şartlarında kompozit peletlerin basma dayancına etkisi incelenmiş ve ticari boyuttaki bir üretim tesisinde gereken 25 3 N/pelet lik basma dayancının elde edildiği optimum şartların belirlenmesi amaçlanmıştır 2 Deneysel Çalışmalar 21 Kullanılan Hammaddeler Deneylerde demirli hammadde olarak Çizelge 21 de kimyasal analizi verilen Divriği A Kafa manyetit konsantresi kullanılmıştır Bağlayıcı olarak çeşitli firmalardan temin edilen Sodyum Karboksi Metil Selüloz (CMC), Maltodekstrin, Pirolize Pirinç-Kolloidal Silika karışımı ve fenolik reçineler grubundan toz Novalak Reçine kullanılmıştır Çizelge 1 de ise deneylerde kullanılan kokun kimyasal analizi verilmiştir Çizelge 1 Deneylerde kullanılan manyetit konsantresinin (pelet keki) kimyasal analizi Element/ Bileşik % Element/ Bileşik % Fe 68,5 Na 2O,4 SiO 2 2,2 K 2O,6 CaO,6 Pb,1 MgO,58 Cu,2 Al 2O 3,75 Zn,1 Mn,1 Ni,2 S,4 Çizelge 2 Deneylerde kullanılan kok kömürünün analizi Sabit Karbon Uçucu Madde Kül Nem % Ağırlık 88,17,44 11,39 4,52 22 Yöntem Deneylerde, pelet keki belirlenen oranlarda farklı bağlayıcı türleri ve %3 oranında öğütülmüş kok kömürüyle 2 saat süreyle karıştırılmıştır Karışım, MULTIPEX marka laboratuar tipi döner diskte 5 gr/dak besleme hızı ve 25 devir/dk disk dönme hızında peletlenmiştir Karışıma ağırlıkça %1 su ilavesi püskürtme yoluyla sağlanmıştır Peletler yaklaşık 12 mm çapa ulaştığında diskten toplanmıştır Elde edilen yaş peletlerden CaO, koloidal silika ve novalak reçine katkılı olanlar etüvde 1 o C sıcaklıkta kurutulmuş, CMC ve maltodekstrin ilaveli peletler ise oda sıcaklığında uzun süre tutularak kurutma işlemi uygulanmıştır Kurutulan peletlerin basma dayanımları, Mohr Bfederhoff AG marka üniversal tip hidrolik çekme ve basma cihazında ölçülmüştür Basma dayanımlarının tespitinde her bir grup pelet türünden 12 mm çapa sahip olan rastgele 5 numune seçilmiş ve bunların basma dayanımları ölçülerek ortalamaları alınmıştır 3 Deney Sonuçları 31 Novalak Reçine ile Yapılan Deneyler Novalak reçinenin bağlayıcı olarak kullanıldığı deneylerde %1, 3 ve 5 oranında toz haldeki bağlayıcı pelet harmanına ilave edilmiştir Elde edilen peletler, 1 C sıcaklıkta 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 ve 24 dakika kurutularak basma dayanımları ölçülmüş ve Şekil 31 deki değerler elde edilmiştir 6 5 4 3 2 1 3 6 9 12 15 18 21 24 Kurutma Süresi (dak) %1 Novalak Reçine %3 Novalak Reçine %5 Novalak Reçine
Birol B, Benkli Y E, Boyrazlı M ve Sarıdede M N Şekil 1 1 C de %1, 3 ve 5 oranında Novalak Reçine içeren kompozit peletlerin kurutma süresinin ve bağlayıcı oranının basma dayanımına etkisi 3 te kurutma süresinin basma dayanımına etkisi görülmektedir Şekil 1 den görüldüğü üzere novalak reçinenin bağlayıcı olarak kullanıldığı peletlerde farklı sürelerde 1 C de kurutma basma dayanımını çok etkilememektedir Ancak bağlayıcı olarak kullanılan reçine miktarı arttıkça basma dayanımının çok fazla arttığı görülmektedir 12 dk boyunca kurutulan pelet numunelerinden %1 novalak reçine içerenlerin ortalama pelet mukavemeti 2 N/pelet, %3 novalak reçine içerenlerin ortalama pelet mukavemeti 24 N/pelet, %5 novalak reçine içerenlerin ortalama pelet mukavemeti ise 54 N/pelet bulunmuştur En yüksek basma mukavemeti değerine (54 N/pelet) %5 novalak reçine içeren peletin 9 dakika süreyle kurutulmasıyla ulaşılmıştır 25 2 15 1 5 3 6 9 12 15 18 21 24 Kurutma Zamanı (dak) 32 CaO ile Yapılan Deneyler Deneylerde, %1, 3 ve 5 oranında CaO bağlayıcı olarak kullanılmıştır Elde edilen peletler, 1 C sıcaklıkta 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 ve 24 dakika kurutularak basma dayanımları ölçülmüş ve kurutma süresinin ve bağlayıcı oranının basma mukavemetine etkisi Şekil 2 de gösterilmiştir 35 3 25 2 15 1 5 3 6 9 12 15 18 21 24 Kurutma Zamanı (dak) %1 CaO %3 CaO %5 CaO Şekil 2 1 C de %1, 3 ve 5 oranında CaO içeren kompozit peletlerin kurutma süresinin ve bağlayıcı oranının basma dayanımına etkisi CaO in bağlayıcı olarak kullanıldığı peletlerde, 1 C sıcaklıkta kurutma süresi arttıkça basma dayanımının her bağlayıcı oranı için arttığı, bu artışın %5 CaO kullanılan numunelerde daha fazla olduğu Şekil 2 den görülmektedir Burada peletlerin basma dayanımlarının 21 dk kurutmadan sonra hemen hemen sabit kaldığı söylenebilir En yüksek dayanımı 3 N/pelet değeriyle %5 CaO içeren ve 21 dakikada kurutulmuş kompozit pelet numunesi vermiştir Şekil 3 %1 oranında sıvı koloidal silika içeren kompozit peletlerin kurutma süresinin basma dayanımına etkisi Şekil 3 e göre %1 oranında sıvı koloidal silika içeren kompozit peletlerde kurutma süresinin basma dayanımına olumlu etkisi bulunmaktadır Kurutma süresi arttıkça basma dayanımıda artmaktadır 12 dakikadan dah fazla kurutma süresi uygulandığında ise pelet dayanımları sabit kalmaktadır 34 Sodyum Karboksi Metil Selüloz (CMC) ve Maltodekstrin ile Yapılan Deneyler Sodyum Karboksi Metil Selüloz (CMC) ve Maltodekstrin in bağlayıcı olarak kullanıldığı deneylerde, %2, 4, 8, 12, 16 ve 2 oranlarında CMC ve maltodekstrin ve %3 oranında kok ilavesi ile kompozit pelet üretilmiştir Maltodekstrin ile yapılan peletlerde diğer denylerde kullanılan %1 su miktarının çok üzerinde su katkısı gerekmiştir Her iki bağlayıcı içinde peletleme diskinden alınan ham peletler hamurumsu bir özellik göstermişlerdir Yapılan deneylerde kurutma işleminin 1 o C de belirlenen sürelerde yapılmasının pelet mukavemetini etkilemediği ve tam kurutma sağlanması için uzun süre gerektiği tespit edilmiştir Pelet maliyeti de düşünülerek kurutma işlemi oda sıcaklığında ve uzun sürede gerçekleştirilmiştir 1gün sonunda serbest halde bulunan suyun önemli bir kısmı buharlaşmış olup 2gün sonunda ise suyunu tamamen kaybeden peletlerde yeniden kristalleşme ile yüksek dayanımlar oluştuğu gözlenmiştir Oda sıcaklığında 2 gün bekletilen CMC ve maltodekstrin ilaveli peletlerin dayanımları Şekil 4 te verilmiştir 33 Koloidal Silika ile Yapılan Deneyler Koloidal silikanın bağlayıcı olarak kullanıldığı deneylerde, koloidal silika sıvı olarak beslendiği için pelet harmanına ayrıca su ilave edilmemiştir Koloidal silika diğer grup deneylerde kullanılan su oranı kadar ilave edilmiştir Peletleme işlemi sonunda üretilen yaş peletler, 1 C sıcaklıkta 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 ve 24 dakika süreyle kurutularak basma dayanımları belirlenmiştir Şekil
Birol B, Benkli Y E, Boyrazlı M ve Sarıdede M N üstündeki değerlerde ise peletlerdeki aşırı sıvı miktarı nedeniyle şekil bozuklukları ve düzensiz aşırı büyüme görülmektedir Bu nedenle sıvı koloidal silika için ideal karıştırma oranının %1 olduğu söylenebilir Koloidal silika kullanımında en yüksek değer olan 2 N/pelet değeri 12 dakikalık kurutma süresinde elde edilmiş, daha uzun kurutma sürelerinde aynı basma dayanımı korunmuştur Elde edilen bu değerler, istenilen pelet dayanım değerini karşılamamaktadır CMC ve malto dekstrin su ile temas eder etmez jelleşmektedirler Bu da peletlere aşırı bir plastiklik özellik katmaktadır Maltodekstrin ile yapılan peletlerde yüksek mukavemet değerleri gözlenmiş ancak pelet oluşumu esnasında aşırı su tüketimi gerçekleşmiştir Şekil 4 Oda sıcaklığında 2 gün kurutulmuş Sodyum Karboksi Metil Seliloz (CMC) ve maltodekstrin ilaveli peletlerde bağlayıcı miktarı - basma dayanımı ilişkisi Şekil 4 te görüldüğü üzere Maltodekstrin ilave edilerek yapılan peletlerde yüksek mukavemet değerleri gözlenmiş ancak pelet oluşumu esnasında aşırı su tüketimi gerçekleşmiştir %2 maltodekstrin ilaveli pelette dayanım yaklaşık 235 N/pelet iken bağlayıcı miktarı arttıkça dayanım da artmaktadır %16 oranında Maltodekstrin ilavesinde ise dayanım 26 N/pelet gibi çok yüksek seviyelere çıkmakta ancak aşırı plastik özellik kazanmaktadır %2 Maltodekstrin ilavesinde ise oluşan ürün pelet formunun dışına çıkmış olup yassı hale gelmiştir CMC ile elde edilen peletlerde de kullanılan bağlayıcı miktarı arttıkça plastiklik özelliği artmaktadır %2 oranında CMC ilave edildiğinde basma dayanımı yaklaşık 353 N/pelet olurken, %2 CMC ilave edildiğinde ise 12 N/pelet seviyelerine ulaşılmıştır 4 Tartışma Organik esaslı reçinelerden olan fenolik reçineler grubundan toz novalak reçinenin bağlayıcı olarak kullanıldığı deneylerde reçine toz olmasından dolayı kolay karıştırılabilmektedir Novalak reçineyle yapılan çalışmalarda en yüksek değeri, %5 novalak reçine içeren ve 9 dakikada kurutulmuş kompozit pelet numunesi vermiştir (54 N/pelet) Ancak soğukta sertleşen kompozit peletlerde tavsiye edilen minimum pelet dayanımı 25-3 N/pelet tir Novalak reçine kullanıldığında bu değer aralığına, %3 novalak reçine ilaveli peletlerin 18 dakika kurutulmasıyla ulaşmak mümkündür Bu şartlarda pelet dayanım değeri 253 N/pelet olarak elde edilmiştir CaO deneylerinde %1 ve %3 CaO katkılı peletler, hiçbir kurutma süresinde ihtiyaç olunan değerleri vermemişlerdir Tavsiye edilen değeri ancak %5 CaO içeren ve 21 dakikada kurutulmuş kompozit pelet numunesi vermektedir (3 N/pelet) Bu da %5 ten daha az oranda CaO kullanmanın istenen mukavemet değerleri için yeterli olmadığını göstermektedir Koloidal silika, diğer grup peletlerdeki su oranıyla aynı oranda (%1) kullanılmıştır Bu değerin altındaki miktarlarda kuru pelet harmanı yeterince sıvıyla karşılaşamadığından topaklanma problemi yaşanmakta; %2 maltodekstrin ilaveli pelette dayanım yaklaşık 235 N/pelet iken bağlayıcı miktarı arttıkça plastiklik özelliği ve yük altında kırılma dayanımı da artmaktadır %3 oranında kullanıldığında ise pelet dayanımı 6N /pelet değerlerine çıkmıştır %16 oranında Maltodekstrin ilavesinde dayanım 26 N/pelet gibi daha yüksek seviyelere çıkmasına rağmen aşırı plastik özellik kazanmasından dolayı kabul edilebilir pelet standartlarını taşımamaktadır %2 Maltodekstrin ilavesinde ise oluşan ürün pelet formunun dışına çıkmış olup yassı şekil almıştır Her iki bağlayıcı türü içinde kullanılan oran arttıkça dayanımları artmakta ancak, %2 den fazla oranlarda kullanılmaları durumunda hem aşırı su tüketimi hem kazandıkları plastiklik özelliği açısından uygun olmamaktadır %2 oranında maltodekstrin ilavesinde kabul edilebilir dayanımlar elde edilemezken, CMC nin %2 oranında ilavesiyle basma dayanımı 353 N/pelet değeri ile soğukta sertleşen peletlerin kabul edilebilir seviyelerdeki dayanımları açısından yeterli olmaktadır 5 Sonuçlar Soğuk bağlı kompozit peletlerin kuru basma dayanımları, literatürde 25-3N/pelet arası verilmektedir %3 novalak reçine ilaveli peletlerin 1 C de 18 dakika kurutulmasıyla 253 N/pelet basma dayanımı elde edilmiştir %5 CaO içeren kompozit peletler, 1 C de 21 dakika kurutulduklarında 3 N/pelet lik bir basma dayanımı vermektedir Sıvı koloidal silikanın ideal kullanım oranı %1 dur Bu bağlayıcı ile ulaşılabilen en yüksek dayanım değeri 2 N/pelet olup, bu değer tavsiye edilen değerlerden düşük olduğu için kullanıma uygun olmadığı anlaşılmıştır Maltodekstrinin az oranda ilavesi yeterli mukavemeti sağlamaktadır %2 oranın üzerinde çalışılmalı ve bu oran çok küçük aralıklarda optimize edilmelidir %2 oranında CMC ilave edildiğinde basma dayanımı yaklaşık 353 N/pelet olmuştur Bu yüzden %2 nin altında bir oran kullanılarak yapılacak bir optimizasyon ile uygun değerler elde edilebilecektir
Birol B, Benkli Y E, Boyrazlı M ve Sarıdede M N İdeal bağlayıcı türünün ve oranının tespiti için belirtilen optimizasyon çalışmalarının yapılması ve özellikle bağlayıcı maliyetlerinin dikkate alınması gerekmektedir Kaynaklar [1] Kafkas, Ş Ş,(23), Anilin ve 2,4,6-Triklorfenolun Değişik Adsorblayıcılara Adsorpsiyonunun İncelenmesi Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı [2] Eisele T C And Kawatra S K (23), A Review of Bınders in Iron Ore Pelletization, Mineral Processing & Extractive Metall Rev, 24: 1-9, 23 [3] Kawatra S K, Eisele T C, Ripke S J, vd (1999), High-Carbon Fly-Ash as a Binder for Iron Ore Pellets, US Department of Energy Federal Energy Technology Center Contractor Reports Receipt Coordinator, M/S F7 361 Collins Ferry Road PO Box 88 Morgantown, WV 2657-88 [4] Boyrazlı, M,(28), Demir Cevheri İçerisindeki Safsızlıkların Olumsuz Etkilerinin Giderilme Yollarının Araştırılması Doktora Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü [5] Dutta K D, Bordoloi D, ve Borthakur PC, (1997), Investigation on Reduction of Cement Binder in Cold Bonded Pelletization of Iron Ores Fines, International Journal of Mineral Processing, 49 (1997) 97-15 [6] Jayson S R and Kawatra S K, (22), A Novel Application of High-Carbon Fly- Ash as an Industrial Binder For Presentation at the 22 Conference on Unburned Carbon in Utility Fly ash, Pittsburgh, PA [7] Mourao, M B ve Takano, C (23) Self-Reducing Pellets for Ironmaking: Reaction Rate and Processing, Mineral Processing & Extractive Metall Rev, 24: 183_22 [8] Ghosh, A, Mungolge, M, Gupta, N ve Tiwari, S (1999) A Preliminary Study of Influence of Atmosphere on Reduction Behavior of lron Ore-Coal Composite Pellets, ISIJ International, Vol 39 No 8, pp, 829-831 [9] Eisele TC ve Kawatra K (23) A Review of Binders in Iron Ore Pelletization Mineral Processing & Extractive Metall Rev, 24: 1_9, 23